CN112383229A - 多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网*** - Google Patents

多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网***，所述的多端口电力电子变压器拓扑结构包括至少两个交流输入端；至少两组电压变换单元，与各个交流输入端口对应连接，每组电压变换单元包括预设数量的电压变换子单元，每个电压变换子单元输出至少两种电压等级的直流电压，每组电压变换单元中相同电压等级的直流电压输出端并联后形成每组电压变换单元的第一直流电压输出端；至少两组直流电压输出端，包括至少两组电压变换单元的第一直流电压输出端并联后的第二直流电压输出端；至少一组交流电压输出端，与第二直流电压输出端连接。具备高、低压，交、直流多种端口，可以实现灵活组网。

Description

多端口电力电子变压器拓扑结构及其交直流微电网***
技术领域
本发明涉及电力设备技术领域，具体涉及多端口电力电子变压器拓扑结构及交直流微电网***。
背景技术
电力电子变压器(Electronic Power Transformer，简称为EPT)，其基本思想是用高频变压器替代工频变压器，同时在高频变压器的源边和副边引入电力电子变换技术，通过适当的控制来实现变压器两侧电压、电流和功率的灵活调节。目前，电力电子变压器已经在配电网中广泛应用。
其中，现有的电力电子变压器多为高、低压量端口。然而，随着高比例新能源接入和多元负荷的大量应用，直流化特征明显，配网存在交直流端口的数量逐渐增多。上述的电力电子变压器的组网不灵活，对电力电子设备的结构及变换次数需求更加复杂。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种多端口电力电子变压器拓扑结构及交直流微电网***，以解决现有电力电子变压器组网不灵活的问题。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种多端口电力电子变压器拓扑结构，包括：
至少两个交流输入端；
至少两组电压变换单元，与各个所述交流输入端口对应连接，每组所述电压变换单元包括预设数量的电压变换子单元，每个所述电压变换子单元输出至少两种电压等级的直流电压，每组所述电压变换单元中相同电压等级的直流电压输出端并联后形成每组所述电压变换单元的第一直流电压输出端；
至少两组直流电压输出端，包括所述至少两组电压变换单元的第一直流电压输出端并联后的第二直流电压输出端；
至少一组交流电压输出端，与所述第二直流电压输出端连接。
本发明实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，利用至少两组电压变换单元实现交直流转换，且在电压变换单元中包括预设数量的电压变换子单元。每个电压变换子单元能够输出至少两种电压等级的直流电压，将同一电压变换单元内相同电压等级的直流电压并联得到同一电压变换单元的直流电压输出端；同时将至少两组电压变换单元的直流电压输出端再次并联，就可以输出不同电压等级的直流电压，且通过对直流电压进行逆变后就可以得到交流电压输出端。因此，该多端口电力电子变压器拓扑结构具备高、低压，交、直流多种端口，利用该多端口电力电子变压器拓扑结构可以实现灵活组网，以满足不同电压等级及交直流电压的需求。
结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述电压变换子单元包括：
电压变换子模块，其输入端与所述交流电压输入端，或级联的上一个所述电压变换子模块连接；
高频变压器模块，其输入端与所述电压变换子模块的输出端连接，所述高频变压器模块的输出端输出至少两种电压等级的直流电压。
结合第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述高频变压器模块包括：
高频变压器，其输入端与所述电压变换子模块的输出端连接，所述高频变压器的至少两个输出端输出至少两种电压等级的交流电压；
至少两个AC/DC转换单元，分别与所述高频变压器的至少两个输出端对应连接，所述至少两个AC/DC转换单元用于输出至少两种电压等级的直流电压。
本发明实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，高频变压器可以将三相电压变化子单元输出的瞬时功率耦合相加以消除单相中瞬时功率的波动。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述高频变压器包括：
至少一个原边绕组、铁芯以及至少两个副边绕组单元，其中，所述至少两个副边绕组单元输出至少两种电压等级的交流电压。
本发明实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，采用多绕组高频变压器，一方面保证了电压变换子模块波动功率有效抵消，使电压波动减小；另一方面，通过同一个高频变压器的至少两个副边单元就可以输出至少两种电压等级的交流电压，减少了高频变压器数量，电路结构更加紧凑，可以输出多个不同低压等级端口。
结合第一方面第二实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述电压变换子模块，包括：
AC/DC功率模块；
旁路模块，与所述AC/DC功率模块连接；
第一DC/AC转换模块，与所述AC/DC功率模块的输出端连接，所述DC/AC转换模块的输出端与所述高频变压器的输入端连接。
本发明实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，在每个AC/DC功率模块中设置相应的旁路模块，在电路出现故障时通过旁路模块可以实现对整个链节的保护；且，利用连接的第一DC/AC转换模块、高频变压器以及AC/DC转换单元，可以实现能量的双向流动，提高了该多端口电力电子变压器拓扑结构的灵活性。
结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，所述AC/DC功率模块为全桥功率模块，所述旁路模块包括两组并联的可控开关，所述旁路模块的两端分别与所述全桥功率模块的半桥连接。
结合第一方面，在第一方面第六实施方式中，所述多端口电力电子变压器拓扑结构还包括：
至少一个第二DC/AC转换模块，其输入端分别与对应的所述第一直流电压输出端，或所述第二直流电压输出端连接。
本发明实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，在第一直流电压输出端，或第二直流电压输出端设置相应的第二DC/AC转换模块，使得该多端口电力电子变压器拓扑结构可以输出相应电压等级的交流电压，以使得该多端口电力电子变压器拓扑结构输出端口的多样性。
根据第二方面，本发明实施例还提供了一种交直流微电网***，包括：
本发明第一方面，或第一方面任一项实施方式中所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，所述至少两个交流输入端接入相应的第一交流母线上；
至少一个第一母联开关，所述至少两个交流输入端对应的第一交流母线之间通过所述第一母联开关连接。
本发明实施例提供的交直流微电网***，利用多端口电力电子变压器拓扑结构作为电能传输、变换和控制节点，可以精确控制输出电压，有效隔离电能质量干扰，抑制电压谐波；至少两个第一交流母线之间通过第一母联开关连接，可以实现至少2路交流电源合环控制和潮流柔性调节，可均衡2条线路的潮流，防止线路过载，提高配网运行水平，可接纳更多的分布式能源。同时，电力电子开关中的至少两个交流输入端互为备用，利用该多端口电力电子变压器拓扑结构柔性快速灵活的特点，使负荷能够接收到高质量功率，减少新能源波动的调节压力，当一路电源故障或断电时，另一路通过信号的快速传递，可进行无缝切换，降低扰动时间，保证供电可靠性。
结合第二方面，在第二方面第一实施方式中，所述***还包括：
第一断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组直流电压输出端通过所述第一断路器与第一储能***连接；
和/或，
第二断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组交流电压输出端接入第二交流母线，且所述第二交流母线通过第二断路器与第二储能***连接。
本发明实施例提供的交直流微电网***，储能***通过断路器与相应的直流电压输出端，和/或交流电压输出端连接，可以保证在直流电压输出端输出的直流，和/或交流电压输出端输出的交流发生异常时，利用储能***的反向充电，以保证该交直流微电网***的正常运行。
结合第二方面第二实施方式，在第二方面第三实施方式中，所述***还包括：
干式变压器，其输入端与相应的第一交流母线连接，所述干式变压器的输出端与第三交流母线连接，且所述第三交流母线与所述第二交流母线之间通过第二母联开关连接。
本发明实施例提供的交直流微电网***，在***中利用干式变压器的输出端接入第三交流母线，且第三交流母线与第二交流母线之间通过第二母联开关连接，在多端口电力电子变压器拓扑结构出现异常时，可以利用第三交流母线的电压通过第二母联开关，向多端口电力电子变压器拓扑结构供电，以保证该交直流微电网***的正常运行。
根据第三方面，本发明实施例还提供了一种交直流微电网***的控制方法，所述交直流微电网***是根据本发明的第二方面，或第二方面任一项实施方式中所述的交直流微电网***设置的，所述控制方法包括：
获取所述至少两个交流输入端的工作状态；
根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，所述工作模式包括并网模式、离网模式以及解列模式中的至少一种。
本发明实施例提供的交直流微电网***的控制方法，通过至少两个交流输入端的工作状态，切换交直流微电网***的工作模式，使得该交直流微电网***灵活可控，能够适应不同的电网环境。
结合第三方面，在第三方面第一实施方式中，所述至少两个交流输入端分别接入恒定的第一交流母线以及柔性的第一交流母线，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述恒定的第一交流母线正常工作时，控制接入所述柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、以及控制所述直流电压输出端以及所述交流电压输出端工作在稳压模式，以使得所述交直流微电网***工作在所述并网模式。
结合第三方面第一实施方式，在第三方面第二实施方式中，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述恒定的第一交流母线失电时，控制接入所述柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、控制所述直流电压输出端提供稳定电源以及控制所述交流电压输出端工作在稳压模式，以使得所述交直流微电网***工作在所述离网模式。
结合第三方面第一实施方式，在第三方面第三实施方式中，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述第一交流母线均故障时，控制所述第一交流母线开关闭合，所述交直流微电网***解列为孤立微网，以使得所述交直流微电网***工作在所述解列模式。
结合第三方面，或第三方面第一实施方式至第三实施方式中任一项，在第三方面第四实施方式中，所述方法还包括：
在所述交直流微电网***启动时，判断所述干式变压器对应的第三交流母线电压是否正常；
当所述干式变压器对应的第三交流母线电压正常时，控制所述第二母联开关闭合，以对所述交流电压输出端不控充电；
控制所述交直流微电网***从所述交流电压输出端逐级向所述交流输入端解锁；
控制所述第二母联开关断开。
本发明实施例提供的交直流微电网***的控制方法，在交直流微电网***启动时，利用干式变压器向交直流微电网***的交流输出端进行供电，以实现逐级反向解锁，实现低压启动。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例的多端口电力电子变压器拓扑结构的结构示意图；
图2是根据本发明实施的电压变换子单元的结构示意图；
图3是根据本发明实施例的高频变压器模块的结构示意图；
图4是根据本发明实施例的高频变压器的结构示意图；
图5是根据本发明实施例的电压变换子模块的结构示意图；
图6是根据本发明实施例的电压变换子模块的结构示意图；
图7是根据本发明实施例的DAB变换电路的结构示意图；
图8是根据本发明实施例的多端口电力电子变压器拓扑结构的结构示意图；
图9是根据本发明实施例的交直流微电网***的结构示意图；
图10是根据本发明实施例的交直流微电网***的结构示意图；
图11是根据本发明实施例的交直流微电网***的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种多端口电力电子变压器拓扑结构，如图1所示，该多端口电力电子变压器拓扑结构包括至少两个交流输入端、至少两组电压变换单元、至少两组直流电压输出端以及至少一组交流电压输出端。其中，电压变换单元与交流输入端对应设置。例如，当该多端口电力电子变压器拓扑结构具有两个交流输入端，相应地，就具有两组电压变换单元；当该多端口电力电子变压器拓扑结构具有三个交流输入端，相应地，就具有三组电压变换单元。需要说明的是，图1中的交流输入端均采用AC表示，但是并不表示所有的交流输入端均接入的是同一个交流电源。在图1中，至少两组直流电压输出端分别采用DC1以及DC2表示，交流电压输出端在图1中未示出。
其中，每个所述的交流输入端可以是单相交流输入端，也可以是三相交流输入端。当交流输入端为三相交流输入端时，每相交流输入端均与一组电压变换单元连接。
所述的电压变换单元的输入端与相应的交流输入端连接，其用于将输入的交流电压进行变换处理后输出至少两组直流电压输出端以及至少一组交流电压。其中，电压变换单元与交流输入端口对应连接，每组所述电压变换单元包括预设数量的电压变换子单元，每个电压变换子单元输出至少两种电压等级的直流电压，每组压变换单元中相同电压等级的直流电压输出端并联后形成每组电压变换单元的第一直流电压输出端。
具体地，在每组电压变换单元包括N个电压变换子单元，各个电压变换子单元通过对输入的交流电压进行交直流变换，输出至少两种电压等级的直流电压。例如，每个电压变换子单元均可以输出两种不同电压等级的直流电压，分别为第一电压等级以及第二电压等级；由于每组电压变换单元包括N个电压变换子单元，那么在每组电压变换单元中将各个电压变换子单元输出第一电压等级的直流电压输出端并联，形成该电压变换单元的一种电压等级的第一直流电压输出端；在每组电压变换单元中各个电压变换子单元输出第二电压等级的直流电压输出端并联，形成该电压变换单元的另一种电压等级的第一直流电压输出端。需要说明的是，每组电压变换单元中所包括的电压变换子单元的数量可以根据实际情况进行相应的设置，在此并不做任何限制。
其中，每组电压变换单元均可以输出至少两种电压等级的直流电压，对于多端口电力电子变压器拓扑结构而言，将各组电压变换单元中具有相同电压等级的第一直流电压输出端并联，形成该多端口电力电子变压器拓扑结构的第二直流电压输出端。因此，该多端口电力电子变压器拓扑结构的直流电压输出端，就可以包括各组电压变换单元的至少两种电压等级的第一直流电压输出端，以及至少两种电压等级的第二直流电压输出端。
例如，在图1中，分别采用DC1以及DC2表示两种电压等级的第二直流电压输出端。进一步地，该多端口电力电子变压器拓扑结构的直流电压输出端还可以包括各组电压变换单元中的第一直流电压输出端，在图1中采用DC3表示。但是，本发明实施例中多端口电力电子变压器拓扑结构的直流电压输出端并不限于图1所示，也可以为其他电压等级的直流电压输出端。
关于电压变换单元的结构细节具体将在下文中进行详细描述。
进一步地，多端口电力电子变压器拓扑结构在形成上述的直流电压输出端之后，可以基于相应的直流电压输出端并利用电压逆变单元将直流转换成交流，从而得到至少一组交流电压输出端。
需要说明的是，多端口电力电子变压器拓扑结构具体在应用时采用哪种或哪些电压等级的直流电压输出端，或交流电压输出端，均可以根据实际情况进行相应的设置，在此并不做任何限制。
本实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，利用至少两组电压变换单元实现交直流转换，且在电压变换单元中包括预设数量的电压变换子单元。每个电压变换子单元能够输出至少两种电压等级的直流电压，将同一电压变换单元内相同电压等级的直流电压并联得到同一电压变换单元的直流电压输出端；同时将至少两组电压变换单元的直流电压输出端再次并联，就可以输出不同电压等级的直流电压，且通过对直流电压进行逆变后就可以得到交流电压输出端。因此，该多端口电力电子变压器拓扑结构具备高、低压，交、直流多种端口，利用该多端口电力电子变压器拓扑结构可以实现灵活组网，以满足不同电压等级及交直流电压的需求。
在本实施例的一些可选实施方式中，所述的电压变换子单元包括电压变换子模块以及高频变压器模块。其中，电压变换子模块的输入端与交流电压输入端AC连接(如图2所示)，或者与级联的上一个电压变换子模块连接。高频变压器模块的输入端与电压变换子模块的输出端连接，输出端输出至少两种电压等级的直流电压DC。需要说明的是，在图2中采用DC仅表示直流电压，并不表示所有直流电压的电压等级。
具体地，图3输出了高频变压器模块的结构示意图。该高频变压器模块包括高频变压器，以及至少两个AC/DC转换单元。其中，在图3中仅输出了两个AC/DC转换单元，但是本发明的保护范围并不限于此，具体可以根据实际情况设置AC/DC转换单元的数量。
高频变压器的输入端与电压变换子模块的输出端连接。所述的高频变压器具有至少两个输出端，用于输出至少两种电压等级的交流电压。对应于高频变压器的输出端，均连接有一个AC/DC转换单元，用于输出至少两种电压等级的直流电压。其中，AC/DC转换单元与高频变压器的交流电压输出端对应设置。例如，高频变压器的输出端用于输出第一电压等级的交流电以及第二电压等级的交流电。第一电压等级的交流电接入一个AC/DC转换单元，用于输出一种电压等级的直流电；第二电压等级的交流点接入另一个AC/DC转换单元，用于输出另一种电压等级的直流电。
其中，高频变压器的输出端可以是从高频变压器的不同抽头引出，也可以是利用绕组的方式引出，以使得高频变压器能够输出至少两种电压等级的交流电压。例如，所述的高频变压器包括至少一个原边绕组、铁芯以及至少两个副边绕组单元，每个副边绕组单元用于输出相应电压等级的交流电压。其中，每个副边绕组单元所包括的绕组数量可以根据实际情况进行相应的设置。
采用多绕组高频变压器，一方面保证了电压变换子模块波动功率有效抵消，使电压波动减小；另一方面，通过同一个高频变压器的至少两个副边单元就可以输出至少两种电压等级的交流电压，减少了高频变压器数量，电路结构更加紧凑，可以输出多个不同低压等级端口。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图4所示，该高频变压器为9绕组变压器，其原边具有3个绕组，副边具有6个绕组。原边的3个绕组分别对应于三相交流点，副边的6个绕组分为2个副边绕组单元，每个副边绕组单元输出一种电压等级的交流电。该高频变压器可以将三相电压变化子单元输出的瞬时功率耦合相加以消除单相中瞬时功率的波动。
具体地，如上文所述，每组电压变换单元中包括预设数量的电压变换子单元，各个电压变换子单元中的电压变换子模块级联。例如，交流输入端接入一组电压变换单元中的第一个电压变换子单元，该电压变换子单元具有第一电压变换子模块；该组电压变换单元中的第二个电压变换子单元具有第二电压变换子模块，其中，第二电压变换子模块与第一电压变换子模块级联。因此，对于各个电压变换子模块而言，其输入端与交流电压输入端连接，或者与级联的上一个电压变换子模块连接。
进一步可选地，如图5所示，所述的电压变换子模块包括AC/DC功率模块、旁路模块以及第一DC/AC转换模块。其中，AC/DC功率模块的输入端与交流输入端连接，或者与级联的上一个电压变换子模块中的AC/DC功率模块的输出端连接。
所述的旁路模块与AC/DC功率模块连接，在电路出现故障时通过旁路模块可以实现对整个链节的保护。所述的旁路模块可以是旁路晶闸管，也可以是其他能够实现相同功能的模块，具体可以根据实际情况进行相应的选择，在此并不做任何限制。
在本实施例的一些可选实施方式中，如图6所示，所述的AC/DC功率模块为全桥功率模块，旁路模块包括两组并联的可控开关，该旁路模块的两端分别与所述全桥功率模块的半桥连接。具体地，AC/DC功率模块为一个H全桥，其中开关管T1-T4构成全桥，开关管T1与开关管T3串联构成半桥，开关管T2与开关管T4串联构成半桥，两个半桥并联构成一个全桥。所述的旁路模块包括两个并联的旁路晶闸管，分别为T11以及T12。
进一步地，如上文所述，各个电压变换子单元包括电压变换子模块以及高频变压器模块。其中，电压变换子模块包括第一DC/AC转换模块，高频变压器模块包括高频变压器以及至少两个AC/DC转换单元。那么，从电路结构角度，第一DC/AC转换模块、高频变压器以及AC/DC转换单元可以实现能量的双向流动，提高了该多端口电力电子变压器拓扑结构的灵活性。为下文描述方便，可以将第一DC/AC转换模块、高频变压器以及AC/DC转换单元连接所形成的电路称之为变换电路。所述的变换电路可以是DAB变换电路，也可以是其他的可以实现能量双向流动的变换电路，在此并不做任何限制。在下文的描述中，以DAB变换电路为例。
具体地，图7示出了DAB变换电路的结构示意图。其中，开关管S1-S4构成高频变压器的原边，即所述的第一DC/AC转换模块；开关管Q1-Q4构成高频变压器的副边，即所述的AC/DC转换单元；这两个全桥通过高频变压器共同组成DCDC部分。
该多端口电力电子变压器拓扑结构还包括至少一个第二DC/AC转换模块，其输入端分别与对应的第一直流电压输出端，或第二直流电压输出端连接。在第一直流电压输出端，或第二直流电压输出端设置相应的第二DC/AC转换模块，使得该多端口电力电子变压器拓扑结构可以输出相应电压等级的交流电压，以使得该多端口电力电子变压器拓扑结构输出端口的多样性。
作为本实施例的一个具体应用实例，图8示出了多端口电力电子变压器拓扑结构的结构示意图。在图8所示的多端口电力电子变压器拓扑结构中，其具有两个三相交流输入端，分别为AC1以及AC2；对应于每个交流输入端，分别连接有电压变换单元；所述的多端口电力电子变压器拓扑结构具有一个交流电压输出端，以及两个不同电压等级的直流电压输出端DC1以及DC2。其中，中压交流AC1、中压交流AC2采用一致的拓扑结构，至少两组多端口电力电子变压器拓扑结构低压直流输出端口根据所需电压等级和输出容量并联输出直流端口DC1、DC2，低压直流再经过逆变电路转换为交流输出信号。
如图8所示，每组电压变换单元包括12个电压变换子单元，每个电压变换子单元包括电压变换子模块、高频变压器模块。所述的电压变换子模块包括AC/DC功率模块、旁路模块(图8中未示出)以及第一DC/AC转换模块；所述的高频变压器模块包括高频变压器以及两个AC/DC转换单元。
从电路拓扑结构角度，将该多端口电力电子变压器拓扑结构划分为中高压输入级变换器、中间隔离级变换器以及低压输出级变换器。
中高压输入变换器包括至少一组全桥级联型AC/DC功率模块，并在每个功率模块中设置相应的旁路模块以实现对整个链节的保护。
中间隔离级包括至少一组DAB变换电路，所述的DAB变换电路中包含第一DC/AC转换模块、高频变压器以及AC/DC转换单元，该DAB变换电路输出不同电压等级端口。
低压直流侧并联，且至少一组中压交流端口与另一个中压交流端口并联，至少两组直流侧并联，直流输出端口根据所需电压等级和输出容量并联输出直流端口DC1、DC2，实现同时具备中压交流AC1/中压交流AC2/低压直流DC1/低压直流DC2/低压交流AC的多端口电力电子变压器拓扑结构。
具体地，中高压输入级变换器采用至少一组全桥级联型AC/DC功率模块，一组全桥型级联AC/DC功率模块包括N个电压变换子模块，N＝1、2、3……，所述每相N个电压变换子模块级联，即后一个电压变换子模块的输入端与前一个电压变换子模块的输出端连接。所述N个电压变换子模块的输入点与所述中高压输入侧的一端相连，输出点和所述中间隔离级变换器一端相连至高频变压器原边的不同端；中高压输入侧、换流子单元以及高频变压器形成中高压侧高频信号。
中间隔离级变换器包括DAB变换电路拓扑，DAB变换电路主要包括第一DC/AC转换单元、高频变压器和AC/DC转换单元，实现能量的双向流动，提高了***的灵活性。所述的第一DC/AC转换单元，分别与所述电压变换子模块的直流侧连接；所述高频变压器，将每相中的所述第一DC/AC转换单元输出的瞬时功率耦合相加以消除单项中的所述瞬时功率波动；所述AC/DC转换单元，与高频变压器的输出端连接。
低压输出级变换器包括低压直流DC1、低压直流DC2、低压交流AC端口、第二DC/AC转换单元。其中低压直流DC1端口输入侧两组电压变换单元的第一直流电压输出端并联后的第二直流电压输出端连接；低压直流DC2端口输入侧与第一直流电压输出端连接。且电压转换子单元和高频变压器的副边构成低压侧高频信号传递回路。
其中，图8所述的多端口电力电子变压器拓扑结构相当于两个多端口电力电子变压器拓扑结构，具体为，AC1与交直流输出端构成第一个多端口电力电子变压器拓扑结构，AC2与交直流输出端构成第二个多端口电力电子变压器拓扑结构。
本实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构，具备高、低压，交、直流多种端口，高压侧有2个交流端口，实现2路交流电源合环控制和潮流柔性调节。该多端口电力电子变压器拓扑结构具有短路限流、负荷高可靠供电，利用多端口多端口电力电子变压器拓扑结构技术作为电力***中重要的电能传输、变换和控制节点，精确控制输出电压，有效隔离电能质量干扰，抑制电压谐波；多路电源通过柔变交直流互联，可实现负荷无缝转供，降低扰动持续时间。进一步地，采用多绕组高频变压器，保证了三相电压转换子单元波动功率有效抵消，使电压波动减小，减少了高频变压器数量，电路结构更加紧凑，可以输出多个不同低压等级端口。
本发明实施例还提供了一种交直流微电网***，该交直流微电网***包括多端口电力电子变压器拓扑结构，以及至少一个母联开关。关于多端口电力电子变压器拓扑结构的结构细节请参见上文所述，在此不再赘述。
其中，多端口电力电子变压器拓扑结构中的至少两个交流输入端分别接入相应的第一交流母线上。即，多端口电力电子变压器拓扑结构的交流输入端可以与第一交流母线一一对应，也可以是两个或以上的交流输入端对应于一个第一交流母线，在此对其具体连接方式并不做任何限制，只需保证该多端口电力电子变压器拓扑结构的交流输入端接入至少两个第一交流母线上。
进一步地，多端口电力电子变压器拓扑结构的至少两个交流输入端对应的第一交流母线之间通过第一母联开关连接。其中，第一母联开关为常开状态。所述的至少两个交流输入端互为备用，当其中一个出现故障时，第一母联开关的闭合，使得该交直流微电网***能够正常工作。
例如，如图9所述，多端口电力电子变压器拓扑结构具有2个交流输入端，分别为AC1以及AC2。AC1以及AC2通过不同的第一交流母线分别与交流电源1以及交流电源2连接，且两个第一交流母线之间通过第一母联开关连接。
本实施例提供的交直流微电网***，利用多端口电力电子变压器拓扑结构作为电能传输、变换和控制节点，可以精确控制输出电压，有效隔离电能质量干扰，抑制电压谐波；至少两个第一交流母线之间通过第一母联开关连接，可以实现至少2路交流电源合环控制和潮流柔性调节，可均衡2条线路的潮流，防止线路过载，提高配网运行水平，可接纳更多的分布式能源。同时，电力电子开关中的至少两个交流输入端互为备用，利用该多端口电力电子变压器拓扑结构柔性快速灵活的特点，使负荷能够接收到高质量功率，减少新能源波动的调节压力，当一路电源故障或断电时，另一路通过信号的快速传递，可进行无缝切换，降低扰动时间，保证供电可靠性。
在本实施例的一些可选实施方式中，所述***还包括第一断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组直流电压输出端通过第一断路器与第一储能***连接。
进一步地，该***还可以包括第二断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组交流电压输出端接入第二交流母线，且所述第二交流母线通过第二断路器与第二储能***连接。
所述的储能***通过断路器与相应的直流电压输出端，和/或交流电压输出端连接，可以保证在直流电压输出端输出的直流，和/或交流电压输出端输出的交流发生异常时，利用储能***的反向充电，以保证该交直流微电网***的正常运行。
作为本实施例的一种可选实施方式，所述***还包括干式变压器，其输入端与相应的第一交流母线连接；该干式变压器的输出端与第三交流母线连接，且第三交流母线与第二交流母线之间通过第二母联开关连接。
在***中利用干式变压器的输出端接入第三交流母线，且第三交流母线与第二交流母线之间通过第二母联开关连接，在多端口电力电子变压器拓扑结构出现异常时，可以利用第三交流母线的电压通过第二母联开关，向多端口电力电子变压器拓扑结构供电，以保证该交直流微电网***的正常运行。
作为本实施例的一种具体实施方式，如图10所示，中压交流AC1、AC2对应的第一交流母线通过第一母联开关相连。AC1、AC2互为备用，常态运行方式下两端母线之间实现了磁隔离，零序故障互不干扰，为两个***的接地方式和运行提供了更大的灵活性。方便接入分布式电源、储能、电动汽车充电、交/直流电网等。在低压储能***的支撑下，两侧的电压暂降互不干扰，提高了双侧的电能质量。
该交直流微电网***可以适用于多路电源供电，同时提供多功能交直流互联组网方式，方便接入分布式电源、储能、电动汽车充电、交/直流电网等，减少了多端口电力电子变压器拓扑结构冗余数量，提高功率密度，促进了分布式可再生能源消纳能力，提高了交直流混合微电网的供电可靠性。
具体地，该交直流微电网***具备2个中高压交流并网端口，与中高压主电源及备用电源相连。在备用电源投入前，两个中高压并网端口互为备用，或择其一作为***供电节点。据此，设计两段中高压母线，中高压一侧交流母线为电源进线母线，中高压另一侧备用母线。采用具备双中高压交流(AC)端、低压直流(DC)端、低压交流(AC)端的多端口电力电子变压器拓扑结构，实现各端口的一体化连接。
中高压交流AC1通过断路器与中高压一侧第一交流母线相连，中高压交流AC2通过断路器与中高压另一侧的第一交流母线相连，两段母线之间跨接第一母联开关，常态分闸。中高压交流AC1和AC2的DC端通过内部断路器后与多端口电力电子变压器拓扑结构DC/AC直流侧连接，公共直流端经断路器与低压直流母线相连；多端口电力电子变压器拓扑结构DC/AC经断路器与第二交流母线相连。
进一步地，该交直流微电网***还包括有变压器，例如，干式变压器。该变压器的输入端与中高压交流AC1对应的第一交流母线连接，且该变压器的输出端与第三交流母线连接。其中，第三交流母线与多端口电力电子变压器拓扑结构的交流输出端对应的第二交流母线之间通过第二母联开关连接。当多端口电力电子变压器拓扑结构出现故障时，可以利用该变压器输出的380V交流电实现多端口电力电子变压器拓扑结构的低压启动，逐级充电、分级解锁、由低压向高压电容充电，省去10kV限流电阻，节省占地。具体地，变压器输出的380V交流电通过第二母联开关向多端口电力电子变压器拓扑结构供电，从而实现反向、逐级向上充电。
其中，多端口电力电子变压器拓扑结构对应的240V或750V的直流母线可连接直流负荷、直流储能***、屋顶光伏。变压器对应的低压交流380V可连接低压交流负荷、风机、交流储能***。多端口电力电子变压器拓扑结构的交流电输出端对应的第二交流母线与低压交流380V对应的第三交流母线通过第二母联开关连接，第二母联开关为断开状态。微电网通过10kV电源并网，当断路器断开或故障时，微电网处于离网模式下，扶贫光伏及10kV交流负荷仍接入微电网，由低压直流储能提供稳定工作电源，储能工作于稳压限流模式时能够自动充放电。
该交直流微电网***对应的电压等级包括10kV AC1/10kV AC2/750V DC/380VAC。其中，多端口电力电子变压器拓扑结构中压输入10kV AC1端通过并网点连接到上级电网，中压输入10kV AC2端进线引自MW级可再生能源或电源***；交流10kV AC1、AC2母线通过第一母联开关相连，AC1、AC2互为备用，两路交流接入实现潮流均衡，提高供电可靠性，灵活接入新能源。该交直流微电网***的750V直流接入储能、充电桩，380V交流侧为办公照明、风机及其他交流负荷供电。***通过10kV交流可以向交通枢纽供电，以此共同组建低压交直流混合微电网，干式变压器通过高压端通过并网点连接到上级电网，低压端连接到第三交流母线，与多端口电力电子变压器拓扑结构低压交流端通过第二母联开关相连。
本实施例提供的交直流微电网***，适用于多路电源供电，同时提供多功能交直流互联组网方式，方便接入分布式电源、储能、电动汽车充电、交/直流电网等，减少了多端口电力电子变压器拓扑结构冗余数量，提高功率密度，促进了分布式可再生能源消纳能力，提高了交直流混合微电网的供电可靠性。
本发明实施例还提供了一种多端口电力电子变压器拓扑结构的控制方法，该方法包括如下步骤：
S11，获取至少两个交流输入端的工作状态。
对于交直流微电网***的交流输入端的工作状态，可以通过监测交流输入端的端口电压来进行判断其工作是否正常，是否失电等等。例如，可以在各个交流输入端设置电压测量装置，以对端口电压进行测量，从而获取到至少两个交流输入端的工作状态。
S12，根据至少两个交流输入端的工作状态，切换交直流微电网***的工作模式。
其中，所述工作模式包括并网模式、离网模式以及解列模式中的至少一种。
在获知各个交流输入端的工作状态时，基于工作状态的不同切换整个交直流微电网的工作模式。其中，工作模式的切换是通过控制交直流微电网的各个交直流输入输出端口的工作模式确定的。
关于该步骤具体将在下文中进行详细描述。
本实施例提供的多端口电力电子变压器拓扑结构的控制方法，通过至少两个交流输入端的工作状态，切换交直流微电网***的工作模式，使得该交直流微电网***灵活可控，能够适应不同的电网环境。
作为本实施例的一种可选实施方式，当恒定的第一交流母线正常工作时，控制接入柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、以及控制直流电压输出端以及交流电压输出端工作在稳压模式，以使得交直流微电网***工作在所述并网模式。
如图11所示，并网模式下由10kV交流提供稳定电源，柔变10kV交流端口AC2工作在V/F模式，扶贫光伏最大功率发电(MPPT)，低压750V直流、380V交流端口工作在稳压模式，协调控制微电网功率平衡。
可选地，当恒定的第一交流母线失电时，控制接入柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、控制直流电压输出端提供稳定电源以及控制交流电压输出端工作在稳压模式，以使得交直流微电网***工作在离网模式。
如图11所示，当10kV交流电源失电，交直流微电网***工作在离网模式下，由低压750V直流侧储能做稳定电源，柔变10kV交流端口AC2工作在V/F模式，扶贫光伏最大功率发电，380V交流端口工作在稳压模式，保证源-储-荷功率平衡。
可选地，当第一交流母线均故障时，控制第一交流母线开关闭合，交直流微电网***解列为孤立微网，以使得交直流微电网***工作在解列模式。
如图11所示，当柔变双端口均故障，交直流微电网***工作在解列模式下，柔变10kV母联开关闭合，枢纽站负荷由10kV交流电源供电，扶贫光伏正常发电；低压交直流微电网解列为孤立微网，分别由储能做支撑源供电。
在本实施例的一些可选实施方式中，所述的交直流微电网***还提供低压启动，具体地，包括如下步骤：
(1)当干式变压器对应的第三交流母线电压正常时，控制所述第二母联开关闭合，以对所述交流电压输出端不控充电。
(2)控制交直流微电网***从交流电压输出端逐级向交流输入端解锁。
(3)控制第二母联开关断开。
如图10所述，在交直流微电网***启动时，可以通过图10左侧的干式变压器输出的低压交流电实现多端口电力电子变压器的低压启动。即，对于交直流电力电子变压器而言，先从交流电压输出端开始，逐级向上，直至交流输入端进行解锁。在解锁完成之后，即多端口电力电子变压器启动之后，断开干式变压器的交流输出端与多端口电力电子变压器的交流输出端之间的第二母联开关。
作为本实施例的一种具体实施方式，如图11所示，10kV母线电压正常时，交直流微电网具备启动条件。采用干变低压侧备用支路进行启动，若低压设备有异常，则可利用储能启动，优先考虑低压交流侧充电启动方式。其中，需要说明的是，在图11中，采用两个断路器401以及402替换了第二母联开关。
启动过程中，如果多端口电力电子变压器拓扑结构异常(AC1或AC2故障)，则停止启动，退回备用状态。
启动过程可以包括如下步骤：
1.干变侧400V侧母线电压正常，储能闭锁状态，312合闸，
2.401、402、301合闸，DC/AC不控充电，
3.柔变AC1隔离级解锁，AC2隔离级解锁，
4.201合闸，
5.202合闸，
6.柔变AC1解锁，直流稳压控制，模块电容电压稳定在900V±10％，低压直流稳定在750V，否则退回热备用状态。
7.断开401、402、301。
8.柔变AC2解锁，V/f控制，203合闸，
9.211合闸，
10.解锁柔变DC/AC，V/F控制，合闸301，储能自动判定充电，311、313合闸，750V直流带负载；380V交流带负载，进入并网状态。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (15)

1.一种多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，包括：
至少两个交流输入端；
至少两组电压变换单元，与各个所述交流输入端对应连接，每组所述电压变换单元包括预设数量的电压变换子单元，每个所述电压变换子单元输出至少两种电压等级的直流电压，每组所述电压变换单元中相同电压等级的直流电压输出端并联后形成每组所述电压变换单元的第一直流电压输出端；
至少两组直流电压输出端，包括所述至少两组电压变换单元的第一直流电压输出端并联后的第二直流电压输出端；
至少一组交流电压输出端，与所述第二直流电压输出端连接。
2.根据权利要求1所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述电压变换子单元包括：
电压变换子模块，其输入端与所述交流输入端，或级联的上一个所述电压变换子模块连接；
高频变压器模块，其输入端与所述电压变换子模块的输出端连接，所述高频变压器模块的输出端输出至少两种电压等级的直流电压。
3.根据权利要求2所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述高频变压器模块包括：
高频变压器，其输入端与所述电压变换子模块的输出端连接，所述高频变压器的至少两个输出端输出至少两种电压等级的交流电压；
至少两个AC/DC转换单元，分别与所述高频变压器的至少两个输出端对应连接，所述至少两个AC/DC转换单元用于输出至少两种电压等级的直流电压。
4.根据权利要求3所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述高频变压器包括：
至少一个原边绕组、铁芯以及至少两个副边绕组单元，其中，所述至少两个副边绕组单元输出至少两种电压等级的交流电压。
5.根据权利要求3所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述电压变换子模块，包括：
AC/DC功率模块；
旁路模块，与所述AC/DC功率模块连接；
第一DC/AC转换模块，与所述AC/DC功率模块的输出端连接，所述DC/AC转换模块的输出端与所述高频变压器的输入端连接。
6.根据权利要求5所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述AC/DC功率模块为全桥功率模块，所述旁路模块包括两组并联的可控开关，所述旁路模块的两端分别与所述全桥功率模块的半桥连接。
7.根据权利要求1所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，其特征在于，所述多端口电力电子变压器拓扑结构还包括：
至少一个第二DC/AC转换模块，其输入端分别与对应的所述第一直流电压输出端，或所述第二直流电压输出端连接。
8.一种交直流微电网***，其特征在于，包括：
权利要求1-7中任一项所述的多端口电力电子变压器拓扑结构，所述至少两个交流输入端接入相应的第一交流母线上；
至少一个第一母联开关，所述至少两个交流输入端对应的第一交流母线之间通过所述第一母联开关连接。
9.根据权利要求8所述的交直流微电网***，其特征在于，所述***还包括：
第一断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组直流电压输出端通过所述第一断路器与第一储能***连接；
和/或，
第二断路器，所述多端口电力电子变压器拓扑结构的至少一组交流电压输出端接入第二交流母线，且所述第二交流母线通过第二断路器与第二储能***连接。
10.根据权利要求9所述的交直流微电网***，其特征在于，所述***还包括：
干式变压器，其输入端与相应的第一交流母线连接，所述干式变压器的输出端与第三交流母线连接，且所述第三交流母线与所述第二交流母线之间通过第二母联开关连接。
11.一种交直流微电网***的控制方法，其特征在于，所述交直流微电网***是根据权利要求8-10中任一项所述的交直流微电网***设置的，所述控制方法包括：
获取所述至少两个交流输入端的工作状态；
根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，所述工作模式包括并网模式、离网模式以及解列模式中的至少一种。
12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述至少两个交流输入端分别接入恒定的第一交流母线以及柔性的第一交流母线，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述恒定的第一交流母线正常工作时，控制接入所述柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、以及控制所述直流电压输出端以及所述交流电压输出端工作在稳压模式，以使得所述交直流微电网***工作在所述并网模式。
13.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述恒定的第一交流母线失电时，控制接入所述柔性的第一交流母线的交流输入端工作在V/F模式、控制所述直流电压输出端提供稳定电源以及控制所述交流电压输出端工作在稳压模式，以使得所述交直流微电网***工作在所述离网模式。
14.根据权利要求12所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述至少两个交流输入端的工作状态，切换所述交直流微电网***的工作模式，包括：
当所述第一交流母线均故障时，控制所述第一交流母线开关闭合，所述交直流微电网***解列为孤立微网，以使得所述交直流微电网***工作在所述解列模式。
15.根据权利要求11-14中任一项所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述交直流微电网***启动时，判断所述干式变压器对应的第三交流母线电压是否正常；
当所述干式变压器对应的第三交流母线电压正常时，控制所述第二母联开关闭合，以对所述交流电压输出端不控充电；
控制所述交直流微电网***从所述交流电压输出端逐级向所述交流输入端解锁；
控制所述第二母联开关断开。
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