CN205693378U - 一种分布式新能源接入电力cps系统的接口装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，包括：直流交流耦合多端口变流器模块、执行器网络模块、传感器网络模块、分布式计算单元模块和通信单元模块；本实用新型能够在通过接口对分布式新能源引入对CPS系统的可感控特性后，能够实现分布式源荷储的广泛接入与可控，使系统层面能够感知分布式源荷储运行情况，并能够在分布式新能源的控制环中引入广域信息决策影响，同时增强分布式新能源控制冗余度与灵活性。

Description

一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置

技术领域

本实用新型涉及一种接口装置，更具体的说是涉及一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置。

背景技术

信息物理系统（Cyber-Physical System ,CPS）是大数据云计算、现代通信技术和智能控制技术相互配合产生的新一代智能系统，其核心特征是信息系统和物理系统的深度融合，能够利用信息系统的网络化云空间实现对物理系统的广域协调控制，CPS在电力系统中的应用是电力信息物理系统。电力CPS中信息的采集、传递、共享范围远超过传统概念上的智能电网，契合现代电力系统对大时空尺度协调控制的需要，因而日益得到国内外电力行业的关注。

能源互联网被公认为是未来能源系统的发展方向，其提出的初衷在于利用信息物理融合与综合能源融合，对分布式光伏、风电、微型燃气轮机等新能源进行充分消纳利用，以促进能源体系的清洁替代与电能替代，其概念的出现晚于电力CPS，却是对电力CPS广域调控理念的继承与发展,可认为电力CPS是能源互联网的子集，是能源互联网实现广域调控的平台所在。虽然自提出以来，能源互联网概念的内涵和外延得到不断深化，层次扩展到全球能源互联网，产业扩展到“互联网+能源”商业模式，然而分布式新能源作为能源互联网底层终端的地位不会变，能源互联网高效安全稳定运行的基石依然在于其对千千万万接入其中的分布式新能源的调控能力，在电力CPS框架下，使更多分布式新能源及荷储的信息参与高层级系统的分析和调节，将是能源互联网实现大范围优化控制的必须条件。

由此可知，分布式新能源接入能源互联网，不仅是能量的底层注入，更承担着联系基层分布式源荷储，参与广域信息物理关联，进而参与更大范围调控的功能；为实现这种功能，必须使分布式新能源以及分布式荷储通过具有信息物理融合特性的接口设备接入能源互联网，接口应既以电力电子变流器为物理实体向能源网络接入电能，又具备将分布式新能源可感控化接入电力CPS的物理与信息映射基础。目前对应用于电力CPS环境的设备研究与设计探索还不多见，对具有信息物理融合特性的分布式新能源并网接口装置的设计还是空白。亟待研发对于电力CPS系统高度可感与灵活可控的分布式新能源并网接口。

发明内容

为解决上述问题，本实用新型提出了一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置。

本实用新型的技术方案为：一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置包括：直流交流耦合多端口变流器模块、执行器网络模块、传感器网络模块、分布式计算单元模块和通信单元模块；所述的直流交流耦合多端口变流器模块分别连接执行器网络模块、传感器网络模块，所述的传感器网络模块与分布式计算单元模块、通信单元模块连接，所述的通信单元模块、执行器网络模块分别与分布式计算单元模块连接。

进一步的，所述的直流交流耦合多端口变流器模块包括用户侧直流负荷接入端口、直流储能接入端口、分布式新能源电源接入端口、新型三端口直流-直流变流器、多功能逆变器、LC滤波器、隔离变压器、交流隔离开关组、交流并网端口和交流负荷接入或P2P互联接口；所述的用户侧直流负荷接入端口、直流储能接入端口、分布式新能源电源接入端口分别与新型三端口直流-直流变流器相连，用于输入直流电能；所述的新型三端口直流-直流变流器与多功能逆变器、LC滤波器、隔离变压器、交流隔离开关组、交流并网端口依次连接，所述的交流负荷接入或P2P互联接口与交流隔离开关组连接；以多功能逆变器输出的原始交流电作为输入，另一侧通过交流隔离开关组，从交流并网端口和交流负荷接入或P2P互联接口输出电能。

进一步的，所述的LC滤波器、隔离变压器、交流隔离开关组为三相LC滤波器、三相隔离变压器、三相交流隔离开关组。

进一步的，所述的交流隔离开关组由三组三相隔离开关相互串并联构成，方便装置的运行模式切换与保护。

进一步的，所述的新型三端口直流-直流变流器电路包括三极晶体管模块S1、三极晶体管模块S2、三极晶体管模块S3、三极晶体管模块S4、三极晶体管模块SR1、三极晶体管模块SR2，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，隔离变压器、电感Ldc与电力二极管D1、电力二极管D2；所述的隔离变压器的漏感为Lm，变比为n；所述的电容C1一端连接分布式新能源电源接入端口与三极晶体管模块S1的集电极，另一端接地；电容C2一端与直流储能接入端口、电力二极管D1的阳极与隔离变压器的低压侧接在一起，另一端接地；电容C3一端与用户侧直流负荷接入端口、三极晶体管模块S2的发射集、三极晶体管模块S3的发射集与电容C5接在一起，另一端接地；三极晶体管模块S1发射集接三极晶体管模块S2的集电极，三极晶体管模块S1的集电极接电容C4；电力二极管D1的阴极接三极晶体管模块S4的集电极，三极晶体管模块S4的发射集接电力二极管D2的阳极与隔离变压器的低压侧；电力二极管D2的阴极接三极晶体管模块S3的集电极，电容C4与C5相联；隔离变压器高压侧与电感Ldc相联，三极晶体管模块SR1的发射集与Ldc另一侧、三极晶体管模块SR2的集电极连在一起，三极晶体管模块SR1的集电极连接电容C6，电容C6另一侧与电容C7相联，电容C7另一侧与三极晶体管模块SR2的发射极相联；D2的设置保证所接储能能够向所接直流负荷单向供电，D1的设置保证储能的双向充放电运行；D1、S4与隔离变压器组成续流回路，使S1、S2、S3可不互补通断，形成三个控制自由度，利用直流储能接入端口作为功率平衡点。

进一步的，所述的执行器网络模块包括PWM装置与联动开关操动装置。

本实用新型具有如下有益效果：相对于现有技术，能够在通过接口对分布式新能源引入对CPS系统的可感控特性后，使系统层面能够感知分布式源荷储运行情况，并能够在分布式新能源的控制环中引入广域信息决策影响，使得通过该接口接入的分布式新能源作为基层细胞间接参与电力信息物理系统各级广域能量调控。

本实用新型的优点还在于，直流侧具有三个接口与三个控制自由度，可利用现有三自由度解耦控制方法同时控制分布式新能源电源最大功率跟踪、直流供电电压与逆变器直流母线电压，实现广泛接入与可控。交流侧具有两个输出接口，构成输出电流可补偿的结构，增加分布式新能源控制冗余度与灵活性。

附图说明

图1：为本实用新型的结构示意图；

图2：为本实用新型中直流交流耦合多端口变流器模块的结构示意图；

图3：为本实用新型中直流交流耦合多端口变流器模块的电路图；

图中：1-直流交流耦合多端口变流器模块，2-执行器网络模块，3-传感器网络模块，4-分布式计算单元模块，5-通信单元模块，6-用户侧直流负荷接入端口，7-直流储能接入端口，8-分布式新能源电源接入端口，9-新型三端口直流-直流变流器，10-多功能逆变器，11-LC滤波器，12-隔离变压器，13-交流隔离开关组，14-交流并网端口，15-交流负荷接入或P2P互联接口，16-三相交流隔离开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方案对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型实施例提供一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，包括：

一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，包括：直流交流耦合多端口变流器模块1、执行器网络模块2、传感器网络模块3、分布式计算单元模块4和通信单元模块5；所述的直流交流耦合多端口变流器模块1分别连接执行器网络模块2、传感器网络模块3，所述的传感器网络模块3与分布式计算单元模块4、通信单元模块5连接，所述的通信单元模块5、执行器网络模块2分别与分布式计算单元模块4连接。传感器网络模块3量测感知直流交流耦合多端口变流器模块1各节点的模拟量与各开关元件的开关量，将该信息传送至分布式计算单元模块4进行本设备的底层控制运算，同时传送至通信单元模块5通过其上传到系统云端参与广域关联优化；而系统云端产生的对装置控制参数调整指令通过通信单元模块5传输给分布式计算单元模块4进行本设备的底层控制运算，分布式计算单元模块4将计算产生的pwm参考信号与开关控制需求量传入执行器网络模块2，由执行器网络模块2直接控制直流交流耦合多端口变流器模块1的电力电子开关与联络开关的开断，形成整个装置的控制闭环。

为了给新能源发电并网接入、电能质量治理和能源互联网背景下的P2P交易提供装置基础，如图2所示，所述的直流交流耦合多端口变流器模块1包括用户侧直流负荷接入端口6、直流储能接入端口7、分布式新能源电源接入端口8、新型三端口直流-直流变流器9、多功能逆变器10、LC滤波器11、隔离变压器12、交流隔离开关组13、交流并网端口14和交流负荷接入或P2P互联接口15；所述的用户侧直流负荷接入端口6、直流储能接入端口7、分布式新能源电源接入端口8分别与新型三端口直流-直流变流器9相连，用于输入直流电能；所述的新型三端口直流-直流变流器9与多功能逆变器10、LC滤波器11、隔离变压器12、交流隔离开关组13、交流并网端口14依次连接，所述的交流负荷接入或P2P互联接口15与交流隔离开关组13连接；以多功能逆变器10输出的原始交流电作为输入，另一侧通过交流隔离开关组13，从交流并网端口14和交流负荷接入或P2P互联接口15输出电能。

所述的LC滤波器11、隔离变压器12、交流隔离开关组13为三相LC滤波器、三相隔离变压器、三相交流隔离开关组。

所述的交流隔离开关组13由三组三相隔离开关16相互串并联构成，方便装置的运行模式切换与保护。

为使装置直流侧同时接入分布式电源、储能、直流负荷并对其实现灵活可控，如图3所示，所述的新型三端口直流-直流变流器9电路包括三极晶体管模块S1、三极晶体管模块S2、三极晶体管模块S3、三极晶体管模块S4、三极晶体管模块SR1、三极晶体管模块SR2，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，隔离变压器、电感Ldc与电力二极管D1、电力二极管D2；所述的隔离变压器的漏感为Lm，变比为n；所述的电容C1一端连接分布式新能源电源接入端口8与三极晶体管模块S1的集电极，另一端接地；电容C2一端与直流储能接入端口7、电力二极管D1的阳极与隔离变压器的低压侧接在一起，另一端接地；电容C3一端与用户侧直流负荷接入端口6、三极晶体管模块S2的发射集、三极晶体管模块S3的发射集与电容C5接在一起，另一端接地；三极晶体管模块S1发射集接三极晶体管模块S2的集电极，三极晶体管模块S1的集电极接电容C4；电力二极管D1的阴极接三极晶体管模块S4的集电极，三极晶体管模块S4的发射集接电力二极管D2的阳极与隔离变压器的低压侧；电力二极管D2的阴极接三极晶体管模块S3的集电极，电容C4与C5相联；隔离变压器高压侧与电感Ldc相联，三极晶体管模块SR1的发射集与Ldc另一侧、三极晶体管模块SR2的集电极连在一起，三极晶体管模块SR1的集电极连接电容C6，电容C6另一侧与电容C7相联，电容C7另一侧与三极晶体管模块SR2的发射极相联；D2的设置保证所接储能能够向所接直流负荷单向供电，D1的设置保证储能的双向充放电运行；D1、S4与隔离变压器组成续流回路，使S1、S2、S3可不互补通断，形成三个控制自由度，利用直流储能接入端口7作为功率平衡点。

在本实施例中，图1中的执行器网络模块2主要由已有的PWM装置与联动开关操动装置构成，该PWM装置能够接受控制层的控制指令并直接对受控对象施加控制作用。

在本实施例中，图1中的传感器网络模块3为已有装置，采集的输出信号主要包括：各设备节点的电流、电压模拟量信号，设备的运行状态，分布式新能源接入点的光照、温度、风速等其他物理量，需求侧的负荷信息等。在本实用新型中，以上所采集的信号可以分为模拟量信号和开关状态量信号两类。其所采集的模拟量信号和开关状态量经过处理后向上传递。

在本实施例中，图1中的传感器网络模块3采集的数据与执行器网络模块2要接收的数据都必须借由通信单元模块4上传与下载，通信单元模块4采用现有装置，不同类型的数据由通信单元模块4转换通信协议、规范格式并压缩，可减轻网络压力。

在本实施例中，图1中的分布式计算单元5是基于分层分布式控制模式的重要计算单元，采用现有单片机技术。电力信息物理系统在实时处理大量系统信息的同时，还要实现对各类物理设备的最优控制。在这种需求下，通过在分布式新能源并网接口中嵌入分布式计算单元模块5，在系统的底层中实现基本的本地控制执行，减轻了顶层服务器和网络传输压力。互联运行的分布式计算单元模块5还能够支撑CPS的云计算，提供更强大的计算功能，服务系统高层决策与应用。

本实施例具有以下有益效果：本实用新型能够在通过接口对分布式新能源引入对CPS系统的可感控特性后，能够实现分布式源荷储的广泛接入与可控，使系统层面能够感知分布式源荷储运行情况，并能够在分布式新能源的控制环中引入广域信息决策影响，同时增强分布式新能源控制冗余度与灵活性。

本实用新型的具体控制实现为现有技术，本实用新型仅提供系统结构设计技术方案。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同途欢；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于，包括：直流交流耦合多端口变流器模块(1)、执行器网络模块(2)、传感器网络模块(3)、分布式计算单元模块(4)和通信单元模块(5)；所述的直流交流耦合多端口变流器模块(1)分别连接执行器网络模块(2)、传感器网络模块(3)，所述的传感器网络模块(3)与分布式计算单元模块(4)、通信单元模块(5)连接，所述的通信单元模块(5)、执行器网络模块(2)分别与分布式计算单元模块(4)连接。

2.根据权利要求1所述的一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于：所述的直流交流耦合多端口变流器模块(1)包括用户侧直流负荷接入端口(6)、直流储能接入端口(7)、分布式新能源电源接入端口(8)、新型三端口直流-直流变流器(9)、多功能逆变器(10)、LC滤波器(11)、隔离变压器(12)、交流隔离开关组(13)、交流并网端口(14)和交流负荷接入或P2P互联接口(15)；所述的用户侧直流负荷接入端口(6)、直流储能接入端口(7)、分布式新能源电源接入端口(8)分别与新型三端口直流-直流变流器(9)相连，用于输入直流电能；所述的新型三端口直流-直流变流器(9)与多功能逆变器(10)、LC滤波器(11)、隔离变压器(12)、交流隔离开关组(13)、交流并网端口(14)依次连接，所述的交流负荷接入或P2P互联接口(15)与交流隔离开关组(13)连接；以多功能逆变器(10)输出的原始交流电作为输入，另一侧通过交流隔离开关组(13)，从交流并网端口(14)和交流负荷接入或P2P互联接口(15)输出电能。

3.根据权利要求2所述的一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于：所述的LC滤波器(11)、隔离变压器(12)、交流隔离开关组(13)为三相LC滤波器、三相隔离变压器、三相交流隔离开关组。

4.根据权利要求2所述的一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于：所述的交流隔离开关组(13)由三组三相隔离开关(16)相互串并联构成，方便装置的运行模式切换与保护。

5.根据权利要求2所述的一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于：所述的新型三端口直流-直流变流器(9)电路包括三极晶体管模块S1、三极晶体管模块S2、三极晶体管模块S3、三极晶体管模块S4、三极晶体管模块SR1、三极晶体管模块SR2，电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7，隔离变压器、电感Ldc与电力二极管D1、电力二极管D2；所述的隔离变压器的漏感为Lm，变比为n；所述的电容C1一端连接分布式新能源电源接入端口(8)与三极晶体管模块S1的集电极，另一端接地；电容C2一端与直流储能接入端口（7）、电力二极管D1的阳极与隔离变压器的低压侧接在一起，另一端接地；电容C3一端与用户侧直流负荷接入端口（6）、三极晶体管模块S2的发射集、三极晶体管模块S3的发射集与电容C5接在一起，另一端接地；三极晶体管模块S1发射集接三极晶体管模块S2的集电极，三极晶体管模块S1的集电极接电容C4；电力二极管D1的阴极接三极晶体管模块S4的集电极，三极晶体管模块S4的发射集接电力二极管D2的阳极与隔离变压器的低压侧；电力二极管D2的阴极接三极晶体管模块S3的集电极，电容C4与C5相联；隔离变压器高压侧与电感Ldc相联，三极晶体管模块SR1的发射集与Ldc另一侧、三极晶体管模块SR2的集电极连在一起，三极晶体管模块SR1的集电极连接电容C6，电容C6另一侧与电容C7相联，电容C7另一侧与三极晶体管模块SR2的发射极相联；D2的设置保证所接储能能够向所接直流负荷单向供电，D1的设置保证储能的双向充放电运行；D1、S4与隔离变压器组成续流回路，使S1、S2、S3可不互补通断，形成三个控制自由度，利用直流储能接入端口(7)作为功率平衡点。

6.根据权利要求1所述的一种分布式新能源接入电力CPS系统的接口装置，其特征在于：所述的执行器网络模块(2)包括PWM装置与联动开关操动装置。