CN111585299B - 一种直流能量路由器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
发明提供的一种直流能量路由器及其控制方法，涉及的模块较少，仅包括：输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；所述输入/输出端口与变流模块连接；所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取电流信号和电压信号，对直流配电网电路进行保护和控制；所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述直流配电网电路。由于本法发明提供的技术方案中涉及的模块少，导致能量传输损耗小、造价低，具有普适性。
Description
技术领域
本发明涉及直流能量路由器设计领域，具体涉及一种直流能量路由器及其控制方法。
背景技术
随着新能源、新材料、信息技术和电力电子技术的长足发展和广泛应用，用户对用电需求、电能质量及供电可靠性等要求不断提高，现有交流配电网将面临分布式新能源(电源)接入、负荷和用电需求多样化、潮流均衡协调控制复杂化，以及电能供应稳定性、高效性、经济性等方面的巨大挑战。风电、光伏发电、燃料电池，以及电动汽车动力电池、超级电容器等各种储能装置基本上都是直流电(或采用直流电技术)，必须通过DC/AC换流器才能并入交流配电网；众多办公与家用电器设备采用直流供电实际上更为方便、节能；越来越多的工业负荷采用变频技术以提高电能利用效率。此时，采用以直流为主导的配电制，在提高配电网运行效率、改善供电可靠性和电能质量、实现分布式发电灵活安全接入方面显示出交流系统所不具备的优越性。
然而，当前直流配电网结构大多都采用共直流母线结构，直流母线依次连接变流模块、隔离变压器、变流模块形成直流能源子网。此结构存在构建不同电压等级的子网系统时所需模块多，造价高；不同子网之间的能量交换时所需经过的模块多，损耗大等问题。同时，当前直流配电电压等级设定混乱，没有遵循统一的电压等级设定原则。随着能源互联网的发展，解决以上问题显得尤为重要。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的问题，本发明提供一种直流能量路由器及其控制方法。
本发明提供的技术方案是：
一种直流能量路由器，包括：
输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；
所述输入/输出端口与变流模块连接；
所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取电流信号和电压信号，当所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的直流配电网电路支路。
优选的，所述输入/输出端口由多个输入端口和输出端口并联构成；
所述输入端口与所述变流模块连接；
所述输出端口与直流电网、分布式电源、储能或直流负荷连接。
优选的，所述变流模块，包括：开关管全桥电路、输出滤波电容、交流端口和直流端口；
所述变流模块由所述开关管全桥电路与输出滤波电容并联构成，一端为直流端口，另一端为交流端口；
所述直流端口连接所述输入/输出端口；
所述交流端口连接所述隔离变压器；
当所述变流模块工作在逆变模式时，所述直流端口作为输入端；当所述变流模块工作在整流模式时，所述交流端口作为输入端，用于相互转换交流电和直流电。
优选的，所述隔离变压器，包括：传输电感、变压器和交流端口；
所述隔离变压器由所述传输电感和变压器并联构成，两端均为交流端口，均与所述变流模块连接；用于转换所述变流模块输出的交流电。
优选的，所述测控保护模块，包括：供电单元、传感器、通信线路、控制芯片、驱动电路、报警电路和外部交互端口；
所述传感器与控制芯片连接，所述控制芯片分别与驱动电路和报警电路连接，构成测控保护单元；
所述传感器，用于测量输入输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的输入/输出信号；
所述通信线路与所述传感器连接，用于将所述传感器测量的信号传递给所述控制芯片；
所述控制芯片，用于将接收的传感器测量信号进行处理和存储，并产生控制信号；
所述驱动电路，用于将所述控制芯片产生的控制信号转换成驱动信号，控制所述变流模块；
所述报警电路，用于发出报警信号；
所述供电单元连接与所述测控保护单元，用于提供电能；
所述外部交互端口通过所述通信线路与所述测控保护单元连接，用于信息交流。
优选的，所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器、交流模块和输入/输出端口依次连接，构成一个隔离变压器级联单元；
所述多个隔离变压器级联单元中的所述隔离变压器串联构成隔离变压器级联结构。
优选的，所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器依次串联构成一个共中高频交流母线单元；
所述多个共中高频交流母线单元与中高频交流母线并联构成共中高频交流母线结构。
一种直流能量路由器的控制方法，所述方法包括：
测控保护模块分别获取输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的电流信号和电压信号；
判断所有的电流信号和电压信号是否正常；
若所有电流信号和电压信号均正常，导通配电网电路；否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的配电网电路支路。
优选的，所述若所述电流信号和电压信号均正常，导通电网电路；否则，切断电网电路，对电网电路进行保护，包括：
基于获取的电流信号和电压信号，通过通信线路传递给控制芯片；
所述控制芯片将所述电流信号和电压信号数据进行存储，并产生控制信号；
当所述电流信号和电压信号正常时，驱动电路将所述控制信号转换为驱动信号，导通配电网电路；
否则，报警电路切断配电网电路，将所述控制信号转换为报警信号，发出警告。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的技术方案中，涉及的模块较少，仅包括：输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；所述输入/输出端口与变流模块连接；所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取电流信号和电压信号，对直流配电网电路进行保护和控制；所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述直流配电网电路。由于本法发明提供的技术方案中涉及的模块少，导致能量传输损耗小、造价低，具有普适性。
2、本发明提供的技术方案中，当直流配电网电压等级数目少时，选用所述隔离变压器级联结构；当直流配电网电压等级数目多时，选用所述共中高频交流母线结构；用于对直流能量进行分配、管理与传输，针对不同的电压等级数目，采用不同的结构，可以提供多个不同电压等级的输入/输出端口，控制能量流动方向与能量交换。
3、本发明提供的技术方案中，可以用于直流配电网、分布式电源、储能的供电以及直流负荷接入；实现直流子网之间以及直流子网与配电网之间的能量交换，从而实现直流能量的分配、管理与传输，完全隔离直流子网与配电网间的干扰和故障，具备离网、并网、离网和并网无缝切换、抑制多种典型电能质量问题的能力等功能。
附图说明
图1为本发明的直流能量路由器隔离变压器级联结构示意图；
图2为本发明的直流能量路由器共中高频交流母线结构示意图；
图3为本发明的直流能量路由器变流模块结构示意图；
图4为本发明的直流能量路由器隔离变压器的结构示意图；
图5为本发明的直流能量路由器测控保护模块结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1：
本发明提出了一种用于直流配电网能量分配的直流能量路由器，具有造价低、损耗小等优点，同时具备向负荷供电、向电网送电、分布式电源接入、直流配电、集成储能等应用功能，适用于现有直流配电网电压等级。通过适当的控制策略，可以实现分布式电源、储能等直流能源子网之间以及各能源子网与直流母线间的能量双向流动，从而实现直流能量的分配、管理与传输；本发明主要针对的是直流配网能量分配问题，并随着直流配电网、分布式电源和直流负荷的发展，本发明提供的直流能量路由器将有更广泛的应用；
一种直流能量路由器，包括：
输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；
所述输入/输出端口与变流模块连接；
所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取电流信号和电压信号，当所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的直流配电网电路支路。
所述输入/输出端口由多个输入端口和输出端口并联构成；
所述输入端口与所述变流模块连接；
所述输出端口与直流电网、分布式电源、储能或直流负荷连接。
优选的，所述变流模块，包括：开关管全桥电路、输出滤波电容、交流端口和直流端口；
所述变流模块由所述开关管全桥电路与输出滤波电容并联构成，一端为直流端口，另一端为交流端口；
所述直流端口连接所述输入/输出端口；
所述交流端口连接所述隔离变压器；
当所述变流模块工作在逆变模式时，所述直流端口作为输入端；当所述变流模块工作在整流模式时，所述交流端口作为输入端，用于相互转换交流电和直流电。
所述隔离变压器，包括：传输电感、变压器和交流端口；
所述隔离变压器由所述传输电感和变压器并联构成，两端均为交流端口，均与所述变流模块连接；用于转换所述变流模块输出的交流电。
所述测控保护模块，包括：供电单元、传感器、通信线路、控制芯片、驱动电路、报警电路和外部交互端口；
所述传感器与控制芯片连接，所述控制芯片分别与驱动电路和报警电路连接，构成测控保护单元；
所述传感器，用于测量输入输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的输入/输出信号；
所述通信线路与所述传感器连接，用于将所述传感器测量的信号传递给所述控制芯片；
所述控制芯片，用于将接收的传感器测量信号进行处理和存储，并产生控制信号；
所述驱动电路，用于将所述控制芯片产生的控制信号转换成驱动信号，控制所述变流模块；
所述报警电路，用于发出报警信号；
所述供电单元连接与所述测控保护单元，用于提供电能；
所述外部交互端口通过所述通信线路与所述测控保护单元连接，用于信息交流。
所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器、交流模块和输入/输出端口依次连接，构成一个隔离变压器级联单元；
所述多个隔离变压器级联单元中的所述隔离变压器串联构成隔离变压器级联结构。
所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器依次串联构成一个共中高频交流母线单元；
所述多个共中高频交流母线单元与中高频交流母线并联构成共中高频交流母线结构。
实施例2
一种直流能量路由器，包括：如图1所示的隔离变压器级联结构，和如图2所示的共中高频交流母线结构；
当直流配电网电压等级数目少时，选用所述隔离变压器级联结构；当直流配电网电压等级数目多时，选用所述共中高频交流母线结构；用于对直流能量进行分配、管理与传输。
隔离变压器级联结构和共中高频交流母线结构均包括：输入/输出端口、变流模块、隔离变压器、变流模块，其中测控保护模块通过公共母线连接各个模块，对整个直流能量路由器电路进行保护和控制。
隔离变压器级联结构的输入/输出端口、变流模块、隔离变压器、变流模块、输入/输出端口依次连接，其中，多个隔离变压器采用串联方式级联，经变流模块后，连接至输入/输出端口。
共中高频交流母线结构的输入/输出端口、变流模块、隔离变压器依次串联，再并联在一条中高频交流母线之上，该中高频交流母线上的电压可以是方波、正弦波等。
对于两种结构的输入/输出端口，其电压等级均与中国电力企业联合会标准T/CEC107—2016所制定的电压等级相匹配，其中输入/输出端口既可以连接至直流电网，又可以连接至分布式电源、储能或直流负荷等。
对于两种结构的变流模块，如图3所示，变流模块由开关管全桥电路、输出滤波电容组成。为作图方便此处的开关管选取为IGBT，视实际情况也可以为其他类型开关管。当其工作在逆变模式时，将输入/输出端口的直流电压作为该模块的输入电压，将测控保护模块实时测量的值，送入测控保护模块计算分析，发出相应的控制信号到开关管全桥电路的控制端，保证输出预期的交流电压；当其工作在整流模式时，将测控保护模块实时测量的交流侧电压、电流和输出直流电压的值，送入测控保护模块计算分析，求取移相角，发出相应的控制信号到开关管全桥电路的控制端，保证输出预期的直流电压。
对于两种结构的隔离变压器，如图4所示，隔离变压器由传输电感、高频变压器构成，其输入/输出端均连接至变流模块，起到变压以及隔离的作用。
对于两种结构的测控保护模块，如图5所示，测控保护模块包括供电单元、传感器、通信线路、控制芯片驱动电路、报警电路和外部交互端口；所述传感器，用于测量各个模块的输入/输出信号；所述通信线路，用于将所述传感器测量的各个模块的输入/输出信号传递给所述控制芯片；所述控制芯片，用于对所述传感器测量的各个模块的输入/输出信号进行数据处理，存储数据和产生控制信号；所述驱动电路，用于将所述控制芯片发出的控制信号转化为驱动信号，控制各个模块的开关管；所述报警电路用于在控制芯片检测到不正常信号切断电路时，发出报警信号；所述外部交互端口，用于测控保护模块与外部控制进行信息交互。
实施例3：
基于同一种发明构思，本发明还提供了一种直流能量路由器的控制方法，所述方法包括：
直流配电网电压等级数目小于设定阈值时，将隔离变压器级联结构的直流路由器接入直流电网、分布式电源、储能或直流负荷；
直流配电网电压等级数目大于或等于设定阈值时，将共中高频交流母线结构的直流路由器接入直流电网、分布式电源、储能或直流负荷；这两种结构的控制方法是一样的，具体为：
测控保护模块获取输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的电流信号和电压信号；
判断所述电流信号和电压信号是否正常；
若所述电流信号和电压信号均正常，导通配电网电网电路；否则，切断配电网电网电路。
所述若所述电流信号和电压信号均正常，导通电网电路；否则，切断电网电路，对电网电路进行保护，包括：
基于获取的电流信号和电压信号，通过通信线路传递给控制芯片；
所述控制芯片将所述电流信号和电压信号数据进行存储，并产生控制信号；
当所述电流信号和电压信号正常时，驱动电路将所述控制信号转换为驱动信号，导通配电网电路；
否则，报警电路切断配电网电路，将所述控制信号转换为报警信号，发出警告。
显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (10)
1.一种直流能量路由器，其特征在于，包括：
输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；
所述输入/输出端口与变流模块连接；
所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取输入/输出端口、变流模块、和隔离变压器的电流信号和电压信号，当所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的直流配电网电路支路；
所述输入/输出端口由多个输入端口和输出端口并联构成；
所述输入端口与所述变流模块连接；
所述输出端口与直流电网、分布式电源、储能或直流负荷连接；
所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器、变流模块和输入/输出端口依次连接，构成一个隔离变压器级联单元；
所述多个隔离变压器级联单元中的所述隔离变压器串联构成隔离变压器级联结构。
2.如权利要求1所述的直流能量路由器，其特征在于，所述变流模块，包括：开关管全桥电路、输出滤波电容、交流端口和直流端口；
所述变流模块由所述开关管全桥电路与输出滤波电容并联构成，一端为直流端口，另一端为交流端口；
所述直流端口连接所述输入/输出端口；
所述交流端口连接所述隔离变压器；
当所述变流模块工作在逆变模式时，所述直流端口作为输入端；当所述变流模块工作在整流模式时，所述交流端口作为输入端，用于相互转换交流电和直流电。
3.如权利要求1所述的直流能量路由器，其特征在于，所述隔离变压器，包括：传输电感、变压器和交流端口；
所述隔离变压器由所述传输电感和变压器并联构成，两端均为交流端口，均与所述变流模块连接；用于转换所述变流模块输出的交流电。
4.如权利要求1所述的直流能量路由器，其特征在于，所述测控保护模块，包括：供电单元、传感器、通信线路、控制芯片、驱动电路、报警电路和外部交互端口；
所述传感器与控制芯片连接，所述控制芯片分别与驱动电路和报警电路连接，构成测控保护单元；
所述传感器，用于测量输入输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的输入/输出信号；
所述通信线路与所述传感器连接，用于将所述传感器测量的信号传递给所述控制芯片；
所述控制芯片，用于将接收的传感器测量信号进行处理和存储，并产生控制信号；
所述驱动电路，用于将所述控制芯片产生的控制信号转换成驱动信号，控制所述变流模块；
所述报警电路，用于发出报警信号；
所述供电单元连接与所述测控保护单元，用于提供电能；
所述外部交互端口通过所述通信线路与所述测控保护单元连接，用于信息交流。
5.一种直流能量路由器，其特征在于，包括：
输入/输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块；
所述输入/输出端口与变流模块连接；
所述测控保护模块通过公共母线连接所述变流模块和隔离变压器，用于获取电流信号和电压信号，当所述电流信号和电压信号正常，则导通所述直流配电网电路，否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的直流配电网电路支路；
所述输入/输出端口由多个输入端口和输出端口并联构成；
所述输入端口与所述变流模块连接；
所述输出端口与直流电网、分布式电源、储能或直流负荷连接；
所述输入/输出端口、变流模块、隔离变压器依次串联构成一个共中高频交流母线单元；
所述多个共中高频交流母线单元与中高频交流母线并联构成共中高频交流母线结构。
6.如权利要求5所述的直流能量路由器，其特征在于，所述变流模块，包括：开关管全桥电路、输出滤波电容、交流端口和直流端口；
所述变流模块由所述开关管全桥电路与输出滤波电容并联构成，一端为直流端口，另一端为交流端口；
所述直流端口连接所述输入/输出端口；
所述交流端口连接所述隔离变压器；
当所述变流模块工作在逆变模式时，所述直流端口作为输入端；当所述变流模块工作在整流模式时，所述交流端口作为输入端，用于相互转换交流电和直流电。
7.如权利要求5所述的直流能量路由器，其特征在于，所述隔离变压器，包括：传输电感、变压器和交流端口；
所述隔离变压器由所述传输电感和变压器并联构成，两端均为交流端口，均与所述变流模块连接；用于转换所述变流模块输出的交流电。
8.如权利要求5所述的直流能量路由器，其特征在于，所述测控保护模块，包括：供电单元、传感器、通信线路、控制芯片、驱动电路、报警电路和外部交互端口；
所述传感器与控制芯片连接，所述控制芯片分别与驱动电路和报警电路连接，构成测控保护单元；
所述传感器，用于测量输入输出端口、变流模块、隔离变压器和测控保护模块的输入/输出信号；
所述通信线路与所述传感器连接，用于将所述传感器测量的信号传递给所述控制芯片；
所述控制芯片，用于将接收的传感器测量信号进行处理和存储，并产生控制信号；
所述驱动电路，用于将所述控制芯片产生的控制信号转换成驱动信号，控制所述变流模块；
所述报警电路，用于发出报警信号；
所述供电单元连接与所述测控保护单元，用于提供电能；
所述外部交互端口通过所述通信线路与所述测控保护单元连接，用于信息交流。
9.一种直流能量路由器的控制方法，应用于如权利要求1-4任一所述的直流能量路由器或者如权利要求5-8任一所述的直流能量路由器，其特征在于，所述方法包括：
测控保护模块分别获取输入/输出端口、变流模块和隔离变压器的电流信号和电压信号；
判断所有的电流信号和电压信号是否正常；
若所有电流信号和电压信号均正常，导通配电网电路；否则，切断所述电流信号和电压信号不正常的配电网电路支路。
10.如权利要求9所述的直流能量路由器的控制方法，其特征在于，所述若所述电流信号和电压信号均正常，导通电网电路；否则，切断电网电路，对电网电路进行保护，包括：
基于获取的电流信号和电压信号，通过通信线路传递给控制芯片；
所述控制芯片将所述电流信号和电压信号数据进行存储，并产生控制信号；
当所述电流信号和电压信号正常时，驱动电路将所述控制信号转换为驱动信号，导通配电网电路；
否则，报警电路切断配电网电路，将所述控制信号转换为报警信号，发出警告。
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