CN104753322A - 能量路由器主电路拓扑和供电*** - Google Patents

能量路由器主电路拓扑和供电*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种能量路由器主电路拓扑和供电***。该能量路由器主电路拓扑包括高压直流端口、高压交流端口、低压直流端口和低压交流端口四个端口。高压直流端口和高压交流端口位于能量路由器主电路拓扑的高压端，采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器结构，模块化多电平变换器由三电平子模块级联构成。通过本发明，解决了现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题。

Description

能量路由器主电路拓扑和供电***
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，具体而言，涉及一种能量路由器主电路拓扑和供电***。
背景技术
随着越来越多的分布式能源应用到电网中，未来电网面临诸多新的挑战，为了解决未来电网所面临的诸多挑战提出了能源互联网。在能源互联网中，能量路由器作为其关键设备，应该满足电能变换、通信和分布式电网智能化等要求。电力电子变换器是实现能量自主分配和管理的基础，故电力电子变换器拓扑可以用作能量路由器主电路拓扑，其中，基于固态变压器的主电路拓扑是最有前途的能量路由器主电路拓扑。
固态变压器采用中频或者高频的变压器来取代传统的功率变压器，其体积和重量相对传统的功率变压器均有显著的减少。固态变压器是电力电子变换器装置，具有一些传统的功率变压器所不具有的潜在功能，比如功率流控制，电压跌落补偿和故障电流限制等。此外，固态变压器还提供了用于分布式能源集成的各种接口。
所有的固态变压器拓扑均提供有高压交流(High Voltage Ac Current，简称为HVAC)和低压交流(Low Voltage Ac Current，简称为LVAC)两个交流端口。有些固态变压器拓扑还为直流母线和分布式能源提供了中压直流(Middle Voltage DirectCurrent，简称为MVDC)或者低压直流(Low Voltage Direct Current，简称为LVDC)端口。有些固态变压器拓扑在高压端采用模块化多电平变换器(Modular MultilevelConverter，简称为MMC)结构，由此获得一个高压直流(High Voltage Direct Current，简称为HVDC)端口，因此，与原有的固态变压器拓扑相比具有四个端口，即高压直流HVDC端口，高压交流HVAC端口，低压直流LVDC端口以及低压交流LVAC端口。
现有技术中的能量路由器主电路拓扑(比如固态变压器拓扑)中高压端的模块化多电平变换器MMC通常是基于两电平子模块的结构，该结构将会增加能量路由器主电路拓扑中总的子模块数和与子模块相关的其它元器件数，导致能量路由器主电路拓扑结构复杂，增加成本。
针对现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种能量路由器主电路拓扑和供电***，以解决现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种能量路由器主电路拓扑。
该能量路由器主电路拓扑包括：高压直流端口和高压交流端口，位于能量路由器主电路拓扑的高压端，其中，高压端采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器结构，模块化多电平变换器由三电平子模块级联构成。
进一步地，三电平子模块的个数由高压端的电压以及能量路由器主电路拓扑中的开关器件的耐压等级确定。
进一步地，能量路由器主电路拓扑还包括：低压直流端口和低压交流端口，位于能量路由器主电路拓扑的低压端。
进一步地，低压端采用三相两电平结构。
进一步地，能量路由器主电路拓扑还包括：隔离单元，其中，隔离单元位于高压端和低压端之间，用于实现高压端与低压端的电气隔离。
进一步地，隔离单元包括：至少一个隔离子模块，其中，隔离子模块的个数与三电平子模块的个数相同。
进一步地，隔离子模块包括：DC/AC转换器；变压器；以及AC/DC转换器。
进一步地，DC/AC转换器采用主动中点箝位三电平结构。
进一步地，AC/DC转换器采用两电平H桥结构。
为了实现上述目的，根据本发明的另一个方面，提供了一种供电***，该供电***包括本发明提供的任意一种能量路由器主电路拓扑。
通过本发明，能量路由器主电路拓扑高压端包括高压直流HVDC端口、高压交流HVAC端口，且高压端采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器结构，其中，模块化多电平变换器结构由三电平子模块级联而成，在实现能量路由器主电路拓扑具有多个端口的基础上，即高压直流HVDC端口、高压交流HVAC端口、低压直流LVDC端口以及低压交流LVAC端口，减少了能量路由器主电路拓扑中总的子模块数和与子模块相关的元器件数。通过本发明，解决了现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题，进而达到了简化结构，降低成本的效果。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明第一实施例的能量路由器主电路拓扑结构图；以及
图2是根据本发明第二实施例的能量路由器主电路拓扑结构图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明旨在提供一种能量路由器主电路拓扑和供电***。
本发明实施例提供了一种能量路由器主电路拓扑，图1是根据本发明第一实施例的能量路由器主电路拓扑结构图，如图1所示，该能量路由器主电路拓扑采用单相电压供电。具体地，该能量路由器主电路拓扑可以分为三部分：高压级部分、低压级部分以及位于高压级和低压级之间的隔离级部分。
高压级部分对应于能量路由器主电路拓扑的高压端，包括高压直流HVDC端口和高压交流HVAC端口，即高压直流HVDC端口和高压交流HVAC端口位于能量路由器主电路拓扑的高压端。能量路由器主电路拓扑的高压端采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器MMC结构，其中，模块化多电平变换器MMC由三电平子模块级联构成。优选地，模块化多电平变换器MMC由多个三电平子模块级联构成，且三电平子模块的个数由高压端的电压以及能量路由器主电路拓扑中的开关器件的耐压等级确定。比如高压直流HVDC端口的电压为Vdc，三电平子模块的电压为Vc，则三电平子模块的个数为N＝2Vdc/Vc。
低压级部分对应于能量路由器主电路拓扑的低压端，包括低压直流LVDC端口和低压交流LVAC端口，即低压直流LVDC端口和低压交流LVAC端口位于能量路由器主电路拓扑的低压端。优选地，能量路由器主电路拓扑的低压端采用三相两电平结构。
隔离级位于高压级和低压级之间，采用高频隔离方式。隔离级对应与能量路由器主电路拓扑的隔离单元，隔离单元位于高压端和低压端之间，通过该隔离单元实现高压端与低压端的电气隔离。优选地，该隔离单元包括至少一个隔离子模块，其中，隔离子模块的个数与三电平子模块的个数相同，即隔离子模块的个数同样由高压端的电压以及能量路由器主电路拓扑中的开关器件的耐压等级确定。隔离子模块包括：DC/AC转换器；变压器；以及AC/DC转换器。其中，DC/AC转换器采用主动中点箝位三电平结构，AC/DC转换器采用两电平H桥结构，变压器优选为高频高压变压器，工作于千赫兹kHz(2kHz-20kHz)级别的开关频率，而且变压器原副边之间具有较高的隔离电压。
图2是根据本发明第二实施例的能量路由器主电路拓扑结构图，如图2所示，该实施例的能量路由器主电路拓扑结构与本发明第一实施例的能量路由器主电路拓扑结构大部分相同，其区别在于：
该实施例的能量路由器主电路拓扑结构采用三相电压供电，不再需要集中式高压母线电容；高压交流电压HVAC为A、B和C点相互之间的电压；B相和C相对应的虚线框中的结构和A相中的模块化多电平变化器结构相同。
该实施例的能量路由器主电路拓扑的高压端采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器结构，其中，三电平子模相比于两电平子模块可以提高单个子模块的电压等级，在达到同样的电压等级时，可以减少子模块的个数，因而模块化多电平变换器采用三电平子模块级联的结构可以有效地减少能量路由器主电路拓扑总的子模块数和与子模块相关的元器件数(比如旁路开关，反并联晶闸管，光纤通道等)。通过本发明实施例的能量路由器主电路拓扑，解决了现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题，达到了简化结构，降低成本的效果。
本发明实施例还提供了一种供电***。该供电***包括本发明实施例提供的任意一种能量路由器主电路拓扑。优选地，该供电***可以是单相供电***，也可以是三相供电***。即本发明实施例的能量路由器主电路拓扑可以应用于单相供电***中，也可以应用于三相供电***中。
从以上的描述中，可以看出，本发明实施例的能量路由器主电路拓扑具有四个端口，即高压直流HVDC端口、高压交流HVAC端口、低压直流LVDC端口以及低压交流LVAC端口，且本发明的能量路由器主电路拓扑高压端采用三电平子模块的模块化多电平变换器结构，利用三电平子模块比两电平子模块的子模块电压等级高的特性，减少了能量路由器主电路拓扑中的子模块数和与子模块相关的元器件数，进而解决了现有技术中的能量路由器主电路拓扑结构复杂的问题，达到了简化结构，降低成本的效果。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种能量路由器主电路拓扑，其特征在于，包括：
高压直流端口和高压交流端口，位于能量路由器主电路拓扑的高压端，
其中，所述高压端采用基于三电平子模块的模块化多电平变换器结构，所述模块化多电平变换器由所述三电平子模块级联构成。
2.根据权利要求1所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述三电平子模块的个数由所述高压端的电压以及所述能量路由器主电路拓扑中的开关器件的耐压等级确定。
3.根据权利要求2所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述能量路由器主电路拓扑还包括：
低压直流端口和低压交流端口，位于所述能量路由器主电路拓扑的低压端。
4.根据权利要求3所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述低压端采用三相两电平结构。
5.根据权利要求4所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述能量路由器主电路拓扑还包括：
隔离单元，其中，所述隔离单元位于所述高压端和所述低压端之间，用于实现所述高压端与所述低压端的电气隔离。
6.根据权利要求5所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述隔离单元包括：
至少一个隔离子模块，
其中，所述隔离子模块的个数与所述三电平子模块的个数相同。
7.根据权利要求6所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述隔离子模块包括：
DC/AC转换器；
变压器；以及
AC/DC转换器。
8.根据权利要求7所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述DC/AC转换器采用主动中点箝位三电平结构。
9.根据权利要求7所述的能量路由器主电路拓扑，其特征在于，所述AC/DC转换器采用两电平H桥结构。
10.一种供电***，其特征在于，所述供电***包括权利要求1至9任一项所述的能量路由器主电路拓扑。
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