CN112165083A - 电力网 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及电力网，该电力网包括转换级，该转换级包括并联连接的多个DC/DC转换器。DC/DC转换器中的至少一个是单级隔离式DC/DC转换器，该单级隔离式DC/DC转换器包括被配置为控制相应的DC/DC转换器的电压的电压控制件。

Description

电力网
技术领域
本公开涉及电力网。具体地，本公开提出了一种基于并联连接的转换器的电力分配与收集网或电力再分配网。用于各个负载的电力分配单元允许对基础设施的有效利用以及增加的可用性。创新的电力分配与收集网的整体的能量管理实现了最高的效率和对电力成本的控制。
背景技术
能量源和负载在近年已经发生变化，导致了对于电力网的不同需求。电力分配网中的典型的新负载和源例如是热泵、主要交流(AC)连接的数据中心和通信基础设施，处于网边缘的电池能量***、用于电动车辆、电动公交车、电动列车的电动车辆DC充电器、以及诸如光伏(PV)太阳能***的可再生能源。
根据现有技术，分配网基于使用一个或多个低频(即，50Hz或60Hz)变压器的高压(HV)或中压(MV)网连接。这允许在较低的电压下采用不同的电力分配概念。图1示出了根据现有技术的示例性配置。其采用公用HV或MV AC母线、变压器级、并联连接的AC/DC转换器，并且根据所连接的负载或源而采用附加的DC/DC转换器。该网可以经由动态电力分配、电池能量储存装置(BESS)、和PV太阳能源供应DC负载1至N。
如图2所示，单个AC/DC转换器连接在并联DC/DC转换器的上游，其中，DC/DC转换器共享一个公用的DC连接。负载和源可类似于图1的示例。使用AC/DC对电动车辆充电通常允许单向功率流，但是也可以是双向型的，以支持例如车辆到网的操作的。图3给出的示例具有并联AC/DC转换器并且一个分支具有供应负载的并联DC/DC转换器。所述负载和源可以类似于前面附图中的那些负载和源。另外，在图4中，示出了大型数据中心的传统AC电力分配。DC分配方案能够提供实质上更高的效率和更低的成本。
发明内容
本公开提出了一种基于并联连接的转换器的电力分配与收集网。为了实现对于所连接的负载的单独的电压控制，优选地使用基于SiC MOSFET的能量源转换器和能量储存元件。用于各个负载的电力分配单元允许对于基础设施的有效使用，并且增加了可用性。创新的电力分配与收集网的整体能量管理实现了最高的效率和对电能成本的控制。
独立权利要求限定了本公开。从属权利要求描述了优选的实施例。
本公开涉及一种电力网，该电力网包括转换级，该转换级包括并联连接的多个DC/DC转换器。至少一个DC/DC转换器是单级隔离式DC/DC转换器，该单级隔离式DC/DC转换器包括被配置为控制相应DC/DC转换器的电压的电压控制件。
各种实施例可以优选地实现以下特征。
电力网可以进一步包括另外的转换级，该另一的转换级包括至少一个转换器，其中，另一的转换级可以连接在DC/DC转换器的并联连接件的上游。优选地，并联连接件是DC母线。
优选地，另一转换级的至少一个转换器中的至少一个是单向AC/DC转换器和/或双向AC/DC转换器，该单向AC/DC转换器包括二极管或晶闸管整流器，该双向AC/DC转换器基于2电平或3电平拓扑或模块化多电极转换器MMC拓扑。
优选地，转换级的DC/DC转换器中的至少一个包括并联连接的至少两个DC/AC转换器和被配置为提供DC输出的AC/DC转换器，其中，至少两个DC/AC转换器和AC/DC转换器被配置为连接到变压器单元，该变压器单元用于将并联DC/AC转换器耦合到AC/DC转换器。
优选地，DC/DC转换器中的至少一个包括DC/AC转换器和AC/DC转换器，该DC/AC转换器包括被配置为将DC输入转换为AC的串联开关，该AC/DC转换器被配置为提供DC输出。DC/AC转换器和AC/DC转换器优选地被配置为连接到变压器单元。优选地，变压器单元被配置为将DC/AC转换器耦合到AC/DC转换器。
优选地，电力网进一步包括至少一个DC限流和/或断流单元。
优选地，至少一个DC限流或断流单元位于转换级的DC/DC转换器中的至少一个中，或者位于DC/DC转换级的转换级的上游。
电力网优选地进一步包括电力分配单元，该电力分配单元被配置为将电力分配给至少一个用户负载。电力分配单元优选地包括转换级的每个DC/DC转换器的至少一个开关，该至少一个开关被配置为将转换级的至少两个DC/DC转换器的输出端连接到用户负载或者从用户负载断开。
优选地，电力分配单元对于每个转换器包括多个开关，该多个开关被配置为连接或断开转换级的输出端，其中，开关的数量对应于负载的数量。
优选地，电力分配单元进一步包括控制单元，该控制单元被配置为控制至少一个开关以根据连接到电力网的负载和/或源分配电力。优选地，控制单元被配置为根据连接到电力网的负载和/或源管理转换级的多个转换器的输出电压的分派。
优选地，电力网可连接到可变速热泵***、超大规模数据中心、分布式电池能量储存装置、物理分布式或配置DC充电器、或可再生能源中的至少一者或它们的任意组合。
本公开还涉及一种用于控制电力网的方法，优选地如本文所述。该方法包括使用单级隔离式DC/DC转换器将DC输入转换为DC输出，这些单级隔离式DC/DC转换器并联连接并且包括被配置为控制相应DC/DC转换器的电压的电压控制件。
本公开进一步涉及在电力网中使用的DC/AC转换器，优选地如本文所述。该转换器包括串联连接的多个开关、DC输入连接件、以及至少两个电容器。开关被配置为将DC输入电压转换为AC输出电压。
附图说明
参考附图进一步描述本公开。附图如下：
图1至图4示出了根据现有技术的配置；
图5示出了根据本公开的示例；
图6示出了根据示例的串联单元的连接；
图7示出了根据示例的串联开关的连接；
图8示出了根据本公开的示例的配置；
图9至图11示出了根据本公开的电力分配单元的示例；以及
图12和图13示出了控制单元的示例性流程图。
在没有相反表示的情况下，各个附图中具有相同参考标记或符号的元件表示相同或相似的元件。
具体实施方式
本发明的核心思想在于，构建灵活的高效的电力分配与收集网，该电力分配与收集网可以供应多个应用，诸如可变速热泵***、超大规模数据中心、分布式电池能量储存装置、以及物理分布式或配置EV充电器。此外，根据本公开，可再生能源的整合也是可行的。
具体地，本公开采用了多个隔离式的(并且根据实施例单级的)DC/DC转换器，这些DC/DC转换器并联连接。并联连接可以例如通过将多个隔离式DC/DC转换器连接到一个DC母线来实现。因此，可以提供能够在不影响网的稳定性的情况下操作不同的负载和源的灵活的电力网。
图5示出了根据本公开的示例的电力网的主体结构。根据图5的电力网(也可被称为电力分配与收集或电力再分配网)包括连接到一个或多个变压器的一个或多个中压或高压(MV/HV)网连接点，一个或多个AC/DC电力转换单元跟在一个或多个变压器下游。至少一个AC/DC转换器的一个或多个输出端连接到本地或分布式DC分配网(该本地或分布式DC分配网也可被称为(公用)DC母线4)。替代地，HVDC或MVDC可以被直接供应给并联连接元件，例如，DC母线。另外，可以使用除了DC母线以外的其他连接件。
下面的描述将基于DC母线，但是不应以限制性方式进行理解。适用于并联连接多个DC/DC转换器的任何连接件可用于并且落入本公开的范围中。
在DC母线4处，连接有多个分布的单级隔离式DC/DC转换器1。具体地，每个隔离式DC/DC转换器1具有单独的电压控制能力。另外，每个这样的隔离式DC/DC转换器1可具有单独的DC限流和/或断流功能。一些隔离式DC/DC转换器1可优选提供将在下面描述的电力分配单元2供应DC负载(DC负载_1至L)。可选地，一个或一些隔离式DC/DC转换器1供应一个或多个电能储存装置(DC储存装置_1至M)，和/或一个或一些隔离式DC/DC转换器1供应DC源(DC源_1至N)或AC负载和源(AC负载或源_1至P)。
为了实现物理分布式***，可以根据所需要的电力传输改变公用DC母线电压电平。其可以是低压DC(LVDC)或中压DC(MVDC)类型。并联连接到DC母线4的隔离式单级DC/DC转换器1的结构实现了稳定的灵活的电力网，其允许各种不同的负载和源的连接而不会影响电力网的稳定性。
取决于电压输入的类型，即AC或DC，可以提供至少一个AC/DC转换单元5或者不提供AC/DC转换单元5。另外，AC/DC电力转换可以允许单向或双向流。具体地，单向AC/DC电力转换单元5可以是并联或串联的多脉冲二极管或晶闸管整流器。替代地，双向AC/DC电力转换单元5可以是基于开关的转换器(即NPC)或基于电池的转换器(即MMC)。可选地，AC/DC电力转换单元5可具有限流和/或断流功能，如图5中的叉形符号所示。
隔离式DC/DC转换器1可以基于串联谐振转换器或双主动桥拓扑。附加于或替代于DC母线4上游的限流或断流功能，每个DC/DC转换器1可具有单独的DC限流和/或断流功能。
DC/DC转换器1可在公用DC母线4侧基于串联单元(例如，半桥或全桥)。根据示例，串联单元(cell)连接到DC母线4并且如图6所示包括并联连接的两个DC/AC转换器11。AC/DC转换器13向负载提供DC输出。DC/AC转换器11和AC/DC转换器13被配置为连接到变压器12，变压器12用于耦合DC/AC转换器11和AC/DC转换器13。DC/AC转换器11和变压器12之间的电容器可以充当隔直器(DC block)。在任意一侧，可以分别提供多个DC/AC转换器11或AC/DC转换器13。可例如经由DC母线4提供多个且并联连接的图6的结构。
图7示出了基于串联开关16的DC/DC转换器1的进一步示例。如上所示，DC/DC转换器1连接到DC母线4，并且包括基于所述串联开关16的至少一个DC/AC转换器11和包括至少一个AC/DC转换器13，其中，转换器11、13被配置为连接到变压器12，变压器12用于耦合各个转换器11、13。每个串联开关16可以并联连接到二极管，如图7所示。可选地，电容器可以并联提供给每个二极管。DC/AC转换器11输出端和变压器12之间的另外的电容器可以充当隔直器。
换言之，转换器包括DC输入连接件，该DC输入连接件可例如连接到DC母线4、至少两个电容器、以及串联连接的多个开关16。开关16被配置为将DC输入电压转换为AC输出电压，并且因此形成DC/AC转换器11。
根据实施例，DC/DC转换器1以及尤其至少一个DC/AC转换器11基于SiC MOSFET或Si IGBT技术，并且使用中频变压器，以实现在负载、储存装置、或源侧的电流隔离。
可以提供能量管理***，用于控制通过DC/DC转换器连接到公用DC母线并从那里连接到AC网的负载和源的组。能量管理***可以进一步优化负载流，以最小化AC网连接的电能账单。所述能量管理***可以与下面描述的电力分配单元有关。
图8示出了根据本公开的包括限流或DC断路器电路的示例。断路器电路可形成DC/DC转换器1的一部分或者可以位于DC/DC转换器1的外部。所述示例性断路器电路6包括至少一个开关、并联连接到至少一个开关中的每个开关的二极管、以及并联连接到每个二极管的可变电阻器。根据在网中的定位，DC断路器电路6可以断开至少一个DC/DC转换器1和/或负载和/或源。如果检测到过载或者网变得不稳定，断路器电路6可尤其断开至少一个DC/DC转换器1和/或负载和/或源。
可以在DC/DC转换器1中或者DC/DC转换器1的上游提供DC断路器电路6。可以为至少一个DC/DC转换器1提供DC断路器电路6，或者可以提供多个DC断路器电路6。具体地，DC断路器电路6可位于DC/DC转换器1处或中和/或DC/DC转换器1的上游和/或DC/DC转换器1的并联连接件(例如，DC母线4)的上游。根据图8的示例的DC/DC转换器1包括DC/AC转换器11、变压器12、以及AC/DC转换器13，以提供如上所述的功能。图8的电路断路器可以应用于本文描述的任意实施例。
参考图5至图8描述的每个示例可以与被配置为将DC输出端连接到负载或从负载断开的电力分配单元2结合在一起。
参考使用可以连接到待充电的车辆的充电桩作为负载22的示例性车辆充电***描述电力分配单元。在每个充电桩22都有自己的母线并且每个DC转换器1都可以连接到这些母线中的每条母线的情况下，对于三个充电桩和三个输出端需要九个开关(3x 3)以及对于十个输出端和十个充电桩需要一百个开关。即，开关数量与输出端数量呈二次增长关系。节省开关的替代方案可以是环型结构，其中，每个DC输出端可以通过隔离开关或开关21连接到两个相邻的输出端，每个充电桩22可以经由隔离开关21直接连接到DC输出端之一。这在图9中示出，其中，附图标记1表示DC/DC转换器和相应的DC输出端，附图标记22表示根据上述示例的负载或充电桩。这种布置允许使用仅2x n个开关21，其中，n是输出端的数量。为了最高效地使用可用电力，可以采用将车辆连接到自由桩22的顺序的智能管理。这种管理的目标是始终提供以下情况的高概率，即至少有一个桩22可用于双电源快速充电，这可以通过经由开关21连接相邻的DC输出端并且在另一方面对所有DC输出均匀地加载来实现。
图10示出了包括或连接到电力分配单元2的电力分配与收集网的进一步的示例性配置。在本示例中，开关21也形成环型配置。
图11描绘了可以被称为矩阵配置的替代配置。在每个DC/DC转换器1的每个相应的输出端子中，存在分别与N个DC负载连接的N个开关21。开关的总数是N*n，其中，N是负载22的数量，在这个情况下是充电桩的数量，n是DC/DC转换器1的数量。矩阵型开关组可以用在不需要开路短路电流的应用中。如果开关仅需要对正常操作的电流开路，则矩阵型开关电流仅是环型电流的1/N。
换言之，参考上述示例，该***可以基于SST拓扑，其中，该拓扑中的关键部件是多个隔离式DC/DC转换器1和开关组。隔离式DC/DC转换器1是串联的输入端子。串联输入端子中的两个最外侧的端子连接到MV DC母线。每个隔离式DC/DC转换器1的输出端子经由开关组连接所有电动车辆(EV)充电器。开关组控制它们的DC/DC转换器1加入到一个指定的EV充电器中。MV DC母线由可控制DC源支持。
可选地，该网可进一步包括控制单元22和/或旁路断路器电路23。控制单元24也可以被称为(协调)控制器。这个控制器24被提出用于平滑所提出的SST拓扑的操作。控制器24生成***操作基准和切换指令，包括用于DC源的电流基准Idcref、DC/DC转换器1电压基准UPMjref、以及开关组控制指令SPMj_EVi。
图11是根据示例性实施例的电力网和分配单元的示意图，其示出了基本结构和可选特征，诸如开关21的矩阵型配置、控制单元24、以及旁路断路器电路23。
图12描绘了流程图。在一个控制时段中，控制器24首先根据最小电压差和所有充电器功率的最***均值原理，计算用于每个EV充电器22的电力模块(DC/DC转换器1)的适当数量。该原理可以解释如下，利用第i个充电器功率要求和所有充电器的平均功率的除法结果的舍入数计算切换到第i个充电器的功率模块的数量。使用以下公式(F1)示例性地执行该计算：
Figure BDA0002727701960000071
因此，可以例如利用下面列出的公式(F2)和(F3)计算所选择的功率模块和它们的电压基准。具体地，使用(F2)计算功率模块j(即，相应的DC/DC转换器1)的功率基准PPMj。使用(F3)，计算功率模块j(即，相应的DC/DC转换器1)的电压基准UPMj，其中，N是负载的数量，UPM_nom表示额定电压。另外，可以确认开关组动作。还可以计算MVDC母线电流基准。可以示例性地利用下面的公式(F4)执行该计算。
Figure BDA0002727701960000072
Figure BDA0002727701960000073
Figure BDA0002727701960000074
如上面提到的，***还可包括可选的旁路断路器电路23。旁路断路器电路23示例性地设置在每个隔离式DC/DC转换器1的输入端子中，如图11所示。每个隔离式DC/DC转换器1的旁路断路器23被用来使该转换器暂时不工作，以避免输入DC电压过低从而确保高效操作。在一些操作情况中，隔离式DC/DC转换器1的功率差非常大。因此，一些转换器以低输入DC电压操作，并且因此具有低操作效率。为了避免这种情况，通过闭合一些DC/DC转换器1的旁路断路器23，来停用这些DC/DC转换器1。工作的DC/DC转换器1将得到更统一的功率要求和输入DC电压。但是，在该拓扑中旁路断路器23是可选的。旁路断路器23也可以由协调控制器24控制。
图13示出了具有旁路断路器23功能的相应流程图。上面描述了各个公式(F1)至(F4)。只要最大功率模块电压和最小功率模块电压之间的差值max(UPMj)-min(UPMj)不超过阈值电压Utrig，根据图12的正常操作即被执行。但是，如果超过阈值电压Utrig，则旁路断路器电路23被激活以为相应的功率模块(即，DC/DC转换器)设旁路，并且负载数量N减少。
另外，可以提供控制器24或站控，用于操纵诸如(在用于电动车辆的DC充电器的情况下)充电桩22的负载的分派。以四个桩为例(参见图10的桩22)，站控24尝试保持两个相邻的DC端子(DC/DC转换器1)空闲。即，在桩1连接到DC 1输出端后，下一车辆将连接到桩2或桩4(例如，经由信号灯指示，其中，桩3上的红灯指示桩3被占用或者没有连接，并且桩2和4上的绿灯指示它们可用)。如果这样做，在连接第二车辆后，两个相邻的DC端子将可用于快速充电。不需要一个DC输出端空载。在没有使用所有充电器的情况下，联络开关可以连接到相邻的DC输出端，并且负载可以被共享。在如上的四桩***中，当充电桩1和2工作时，从DC 1到DC 4的联络开关可以闭合，并且DC2和DC3之间的联络开关也可以闭合。这样，所有DC输出端均已加载。即使在桩1和3有效并且新车辆(该新车辆随后仅可以利用一个DC输出端的功率充电)进来的情况下运行时，也可以通过闭合相关的联络开关与空闲的剩余DC输出端共享更高负载的桩1或3的负载。
电力分配单元还可以与上面的示例中给出的其他电力分配网和其他负载或源结合在一起。
根据本公开，提供了能够以最佳效率操纵多个输入和输出的改进的电力再分配网。
本公开还覆盖对应的方法。
因此，本公开提供了一种基于并联连接的转换器的灵活且高效的电力网。根据实施例，并联连接的转换器是单级隔离式DC/DC转换器。为了实现对于所连接的负载的单独电压控制，根据实施例使用基于SiC MOSFET的能量源转换器和能量储存元件。用于各个负载的电力分配单元允许基础设施的高效使用以及增加的可用性。对于创新的电力分配与收集网的整体能量管理实现了最高的效率以及控制电能成本。因此，可在不考虑所连接的源和负载(尤其是非对称负载)的情况下将网保持在稳定状态。
根据上面的概述和下面的描述(包括附图和权利要求书)将明白其他方面、特征、和优点。
尽管在附图和前面的说明中详细示出并描述了本公开，但是这些图示和描述将被认为是说明性或示例性的而不是限制性的。将理解的是，本领域普通技术人员可以做出落入所附权利要求的范围内的改变和修改。具体地，本公开覆盖包括上面和下面描述的不同实施例的特征的各种组合的进一步实施例。
另外，在权利要求中，术语“包括”并不排除其他元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”并不排除多个。单个单元可以实现权利要求中列举的多个特征的功能。与某个属性或值相关联的术语“基本上”、“大约”、“大概”等还分别精确地限定该属性或值。权利要求中的任何附图标记不应该理解为限制范围。

Claims (13)

1.一种电力网，包括：
转换级，所述转换级包括并联连接的多个DC/DC转换器(1)，
其中，所述DC/DC转换器(1)中的至少一个DC/DC转换器是单级隔离式DC/DC转换器(1)，所述单级隔离式DC/DC转换器包括电压控制件，所述电压控制件被配置为控制相应的DC/DC转换器(1)的电压。
2.根据权利要求1所述的电力网，其中，所述电力网还包括另一转换级，所述另一转换级包括至少一个转换器(5)，其中，所述另一转换级连接在所述DC/DC转换器(1)的并联连接件的上游，
其中，优选地，所述并联连接件是DC母线(4)。
3.根据权利要求2所述的电力网，其中，
所述另一转换级的所述至少一个转换器(5)中的至少一个是包括二极管或晶闸管整流器的单向AC/DC转换器(5)，和/或
所述另一转换级的所述至少一个转换器(5)中的至少一个是基于2电平或3电平拓扑或模块化多电平转换器MMC拓扑的双向AC/DC转换器(5)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电力网，其中，所述转换级的所述DC/DC转换器(1)中的至少一个DC/DC转换器包括并联连接的至少两个DC/AC转换器(11)和被配置为提供DC输出的AC/DC转换器(13)，其中，所述至少两个DC/AC转换器(11)和所述AC/DC转换器(13)被配置为连接到变压器单元(12)，所述变压器单元(12)用于将并联的所述DC/AC转换器(11)耦合到所述AC/DC转换器(13)。
5.根据前述权利要求中任一项所述的电力网，其中，所述DC/DC转换器(1)中的至少一个DC/DC转换器包括DC/AC转换器(11)和AC/DC转换器(13)，所述DC/AC转换器(11)包括被配置为将DC输入转换为AC的串联开关(16)，所述AC/DC转换器(13)被配置为提供DC输出，
其中，所述DC/AC转换器(11)和所述AC/DC转换器(13)被配置为连接到变压器单元(12)，并且
其中，所述变压器单元(12)被配置为将所述DC/AC转换器(11)耦合到所述AC/DC转换器(13)。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电力网，其中，所述电力网还包括至少一个DC限流和/或断流单元(6)。
7.根据权利要求6所述的电力网，其中，所述至少一个DC限流或断流单元(6)位于所述转换级的所述DC/DC转换器(1)中的至少一个DC/DC转换器中，或者
所述至少一个DC限流或断流单元(6)位于所述DC/DC转换级(1)的所述转换级的上游。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电力网，其中，所述电力网还包括电力分配单元(2)，所述电力分配单元被配置为将电力分配给至少一个用户负载，
其中，所述电力分配单元(2)优选地包括所述转换级的每个DC/DC转换器(1)的至少一个开关(21)，所述至少一个开关被配置为将所述转换级的至少两个DC/DC转换器(1)的输出端连接到所述用户负载或者从所述用户负载断开。
9.根据权利要求8所述的电力网，其中，所述电力分配单元对于每个转换器包括多个开关，所述多个开关被配置为连接或断开所述转换级的输出端，其中，所述开关的数量对应于负载的数量。
10.根据权利要求8或9所述的电力网，其中，所述电力分配单元还包括控制单元，所述控制单元被配置为控制所述至少一个开关(21)，以根据连接到所述电力网的负载和/或源来分配电力，
其中优选地，所述控制单元被配置为根据连接到所述电力网的负载和/或源来管理所述转换级的所述多个转换器的所述输出电压的分派。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电力网，其中，所述电力网能够连接到可变速热泵***、超大规模数据中心、分布式电池能量储存装置、物理分布式或配置充电器、或可再生能源中的至少一者或者它们的任意组合。
12.一种用于控制电力网的方法，所述电力网优选是根据前述权利要求中的任一项所述的电力网，所述方法包括：
使用单级隔离式DC/DC转换器(1)，将DC输入转换为DC输出，所述单级隔离式DC/DC转换器并联连接并且包括电压控制件，所述电压控制件被配置为控制相应的DC/DC转换器(1)的电压。
13.一种DC/AC转换器，所述DC/AC转换器用于优选是根据权利要求1至11中任一项所述的电力网中，所述转换器包括DC输入连接件、至少两个电容器、以及串联连接的多个开关，其中，所述开关被配置为将DC输入电压转换为AC输出电压。
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