CN112653149A - 一种适用于低压配电网的大功率电能路由器 - Google Patents

一种适用于低压配电网的大功率电能路由器 Download PDF

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CN112653149A CN202011322000.5A CN202011322000A CN112653149A CN 112653149 A CN112653149 A CN 112653149A CN 202011322000 A CN202011322000 A CN 202011322000A CN 112653149 A CN112653149 A CN 112653149A
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赵晓君
刘盈瑞
王晓寰
张纯江
柴秀慧
汪龙
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Abstract

本发明公开了一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，所述电能路由器包括第一DC/AC变换器、第二DC/AC变换器、变压器、交流母线、直流母线、低压配电网交流接口、储能装置接口、分布式电源接口、多个交流负荷接口及多个直流负荷接口；变压器一次侧两端分别与低压配电网交流接口和交流母线连接，变压器二次侧两端分别与第一DC/AC变换器的交流侧和***中性点连接；第二DC/AC变换器的交流侧与交流母线连接；第一DC/AC变换器的直流侧和第二DC/AC变换器的直流侧均与直流母线连接；与现有技术方案相比，本发明可使电能路由器的能量以大于***额定功率的条件运行，从而大大增强了路由器能量的传输能力。

Description

一种适用于低压配电网的大功率电能路由器
技术领域
本发明涉及电能路由器技术领域，尤其是一种适用于低压配电网的大功率电能路由器。
背景技术
随着新能源发电技术的不断发展与成熟，其在电力***中的渗透率水平也越来越高，因此大规模分布式电源并网运行将成为未来智能电网的主要特征之一。为平抑分布式电源接入带来的电力波动问题、实现对新能源的及时消纳和对电网的削峰填谷，电网需要接入以电池和超级电容为代表的储能装置，因此多元化能源发电是未来智能电网的另一个主要特征。为满足未来智能电网的发展需要，电能路由器具有多源耦合及多负荷耦合运行的特点，能够为分布式电源、储能装置交流负荷和直流负荷提供多种形式的即插即用电气接口，实现对多种能源的协调控制以及对能量流向和大小的调节。
现有技术中，通常是针对中高压配电网设计的电能路由器，其能量控制核心单元采用由输入级AC/DC变换器、中间级DC/DC变换器和输出级DC/AC变换器三级串联结构组成的电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)，如发明专利CN201710261487、CN201811406738、CN201910348552、CN201910619085等。
然而，针对低压配电网，由于电能路由器的低压配电网交流接口和交流负荷接口处的电压均为380V，因此不需要PET的中间级DC/DC变换器也可实现能量的路由功能。因此，电能路由器能量控制核心单元的变换结构可由三级减少到两级，进一步增加了***的可靠性，提升了***运行的稳定性和安全性。
此外，由于PET仅可通过其输出级DC/AC变换器为交流负荷传输能量，因此现有技术中，电能路由器所传输的有功和无功功率均被限制在输出级DC/AC变换器的额定功率范围内，即被限制在***额定功率范围内。进一步，现有技术若需获得更高的能量传输能力，只能通过增加PET的容量得以实现。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，解决现有技术中有功和无功功率传输容量被限制在***额定功率范围内，无法实现能量大功率传输的问题。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，所述电能路由器包括第一DC/AC变换器、第二DC/AC变换器、变压器、交流母线、直流母线、低压配电网交流接口、储能装置接口、分布式电源接口、多个交流负荷接口以及多个直流负荷接口；
所述变压器一次侧两端分别与低压配电网交流接口和交流母线连接，所述变压器二次侧两端分别与第一DC/AC变换器的交流侧和***中性点连接；所述第二DC/AC变换器的交流侧与交流母线连接；所述第一DC/AC变换器的直流侧和第二DC/AC变换器的直流侧均与直流母线连接；所述交流母线与多个交流负荷接口连接；所述直流母线分别与储能装置接口、分布式电源接口以及多个直流负荷接口连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第一桥臂上开关管S1的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第一桥臂下开关管S2的下端，所述第一桥臂上开关管S1的下端与第一桥臂下开关管S2的上端并联连接后连接第一滤波电感L1a的一端，所述第一滤波电感L1a的另一端与变压器的二次侧连接；第二桥臂上开关管S3的上端连接第一桥臂上开关管S1的上端，第二桥臂下开关管S4的下端与第一桥臂下开关管S2的下端连接，所述第二桥臂上开关管S3的下端与第二桥臂下开关管S4的上端并联连接后连接第二滤波电感L1b的一端，第二滤波电感L1b的另一端与变压器的二次侧连接；第三桥臂上开关管S5的上端与第二桥臂上开关管S3的上端连接，第三桥臂下开关管S6的下端与第二桥臂下开关管S4的下端连接，所述第三桥臂上开关管S5的下端与第三桥臂下开关管S6的上端并联连接后连接第三滤波电感L1c的一端，所述第三滤波电感L1c的另一端与变压器的二次侧连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第二DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第四桥臂上开关管S7的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第四桥臂下开关管S8的下端，所述第四桥臂上开关管S7的下端和第四桥臂下开关管S8的上端并联连接后连接第四滤波电感L2a的一端，所述第四滤波电感L2a的另一端与第一滤波电容C2a的一端并联连接后连接交流母线；第五桥臂上开关管S9的上端与第四桥臂上开关管S7的上端连接，第五桥臂下开关管S10的下端与第四桥臂下开关管S8的下端连接，所述第五桥臂上开关管S9的下端与第五桥臂下开关管S10的上端并联连接后连接第五滤波电感L2b的一端，所述第五滤波电感L2b的另一端与第二滤波电容C2b的一端并联连接后连接交流母线；第六桥臂上开关管S11的上端与第五桥臂上开关管S9的上端连接，第六桥臂下开关管S12的下端与第五桥臂下开关管S10的下端连接，所述第六桥臂上开关管S11的下端与第六桥臂下开关管S12的上端并联连接后连接第六滤波电感L2c的一端，所述第六滤波电感L2c的另一端与第三滤波电容C2c的一端并联连接后连接交流母线；所述第一滤波电容C2a的另一端、第二滤波电容C2b的另一端和第三滤波电容C2c的另一端并联连接后连接到***的中性点。
本发明技术方案的进一步改进在于：交流负荷有功功率通过第一路径和第二路径获得，所述第一路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一交流有功功率P1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第一交流有功功率P1；所述第二路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线和第二DC/AC变换器输出第二交流有功功率P2，再经交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第二交流有功功率P2，所述交流负荷有功功率PLAC＝P1+P2。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一交流最大有功功率P1max等于额定有功功率PR,所述第二交流最大有功功率P2max等于额定有功功率PR,所述交流负荷最大有功功率PLACmax＝2PR。
本发明技术方案的进一步改进在于：直流负荷有功功率通过第三路径和第四路径获得，所述第三路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一直流有功功率P3，经变压器、第二DC/AC变换器、直流母线和多个直流负荷接口为直流负荷提供第一直流有功功率P3；第四路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线输出第二直流有功功率P4，再经多个直流负荷接口为直流负荷提供第二直流有功功率P4，所述直流负荷有功功率PLDC＝P3+P4。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一直流最大有功功率P3max等于额定有功功率PR,所述第二直流最大有功功率P4max等于额定有功功率PR,所述直流负荷最大有功功率PLDCmax＝2PR。
本发明技术方案的进一步改进在于：交流负荷无功功率通过第五路径和第六路径获得，所述第五路径由第一DC/AC变换器输出第一交流无功功率Q1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第一交流无功功率Q1；所述第六路径由第二DC/AC变换器输出第二交流无功功率Q2，再经交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第二无功功率Q2，所述交流负荷无功功率QLAC＝Q1+Q2。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一交流最大无功功率Q1max等于变压器最大容量QTr，所述第二交流无功功率Q2等于额定无功功率QR，所述交流负荷最大无功功率QLACmax＝QTr+QR。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明交流负荷与直流负荷的有功功率以及交流负荷的无功功率均可同时由两条路径进行传输，从而大大增强了路由器能量的传输能力，解决现有技术中有功和无功功率传输容量被限制在***额定功率范围内，无法实现能量大功率传输的问题；
2、本发明的路由器能量控制核心单元不需要PET的中间级DC/DC变换器也可实现能量的路由功能，仅采用第一DC/AC变换器和第二DC/AC变换器两级变换结构，电能路由器所传输的有功和无功功率均可同时由两条路径进行传输，能够满足电能路由器的能量以大于***额定功率传输的需求，可实现减少***变换级数和增强***运行可靠性的目的。
附图说明
图1为本发明一种适用于低压配电网的大功率电能路由器结构示意图；
图2为本发明三相第一DC/AC变换器结构示意图；
图3为本发明三相第二DC/AC变换器结构示意图；
图4为本发明交流负荷有功功率运行示意图；
图5为本发明直流负荷有功功率运行示意图；
图6为本发明交流负荷无功功率运行示意图。
其中，S1：第一桥臂上开关管，S2：第一桥臂下开关管，S3：第二桥臂上开关管，S4：第二桥臂下开关管，S5：第三桥臂上开关管，S6：第三桥臂下开关管，S7：第四桥臂上开关管，S8：第四桥臂下开关管，S9：第五桥臂上开关管，S10：第五桥臂下开关管，S11：第六桥臂上开关管，S12：第六桥臂下开关管，L1a：第一滤波电感，L1b：第二滤波电感，L1c：第三滤波电感，L2a：第四滤波电感，L2b：第五滤波电感，L2c：第六滤波电感，Cdc：直流母线电容，C2a：第一滤波电容，C2b：第二滤波电容，C2c：第三滤波电容，P1：第一交流有功功率，P2：第二交流有功功率，P3：第一直流有功功率，P4：第二直流有功功率，PLAC：交流负荷有功功率，PLDC：直流负荷有功功率，PR：额定有功功率，P1max：第一交流最大有功功率，P2max：第二交流最大有功功率，P3max：第一直流最大有功功率，P4max：第二直流最大有功功率,PLACmax：交流负荷最大有功功率，PLDCmax：直流负荷最大有功功率,Q1：第一交流无功功率，Q2：第二交流无功功率，QLAC：交流负荷无功功率，Q1max：第一交流最大无功功率，QTr：变压器最大容量，QR：额定无功功率，QLACmax：交流负荷最大无功功率。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述电能路由器包括第一DC/AC变换器、第二DC/AC变换器、变压器、交流母线、直流母线、低压配电网交流接口、储能装置接口、分布式电源接口、多个交流负荷接口以及多个直流负荷接口；
所述变压器一次侧的两端分别与低压配电网交流接口和交流母线连接，所述变压器二次侧的两端分别与第一DC/AC变换器的交流侧和***中性点连接；所述第二DC/AC变换器的交流侧与交流母线连接；所述第一DC/AC变换器的直流侧和第二DC/AC变换器的直流侧均与直流母线连接；所述交流母线与多个交流负荷接口连接；所述直流母线分别与储能装置接口、分布式电源接口以及多个直流负荷接口连接。
如图2所示：所述第一DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第一桥臂上开关管S1的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第一桥臂下开关管S2的下端，所述第一桥臂上开关管S1的下端与第一桥臂下开关管S2的上端并联连接后连接第一滤波电感L1a的一端，所述第一滤波电感L1a的另一端与变压器的二次侧连接；第二桥臂上开关管S3的上端连接第一桥臂上开关管S1的上端，第二桥臂下开关管S4的下端与第一桥臂下开关管S2的下端连接，所述第二桥臂上开关管S3的下端与第二桥臂下开关管S4的上端并联连接后连接第二滤波电感L1b的一端，第二滤波电感L1b的另一端与变压器的二次侧连接；第三桥臂上开关管S5的上端与第二桥臂上开关管S3的上端连接，第三桥臂下开关管S6的下端与第二桥臂下开关管S4的下端连接，所述第三桥臂上开关管S5的下端与第三桥臂下开关管S6的上端并联连接后连接第三滤波电感L1c的一端，所述第三滤波电感L1c的另一端与变压器的二次侧连接。
如图3所示：所述第二DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第四桥臂上开关管S7的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第四桥臂下开关管S8的下端，所述第四桥臂上开关管S7的下端和第四桥臂下开关管S8的上端并联连接后连接第四滤波电感L2a的一端，所述第四滤波电感L2a的另一端与第一滤波电容C2a的一端并联连接后连接交流母线；第五桥臂上开关管S9的上端与第四桥臂上开关管S7的上端连接，第五桥臂下开关管S10的下端与第四桥臂下开关管S8的下端连接，所述第五桥臂上开关管S9的下端与第五桥臂下开关管S10的上端并联连接后连接第五滤波电感L2b的一端，所述第五滤波电感L2b的另一端与第二滤波电容C2b的一端并联连接后连接交流母线；第六桥臂上开关管S11的上端与第五桥臂上开关管S9的上端连接，第六桥臂下开关管S12的下端与第五桥臂下开关管S10的下端连接，所述第六桥臂上开关管S11的下端与第六桥臂下开关管S12的上端并联连接后连接第六滤波电感L2c的一端，所述第六滤波电感L2c的另一端与第三滤波电容C2c的一端并联连接后连接交流母线；所述第一滤波电容C2a的另一端、第二滤波电容C2b的另一端和第三滤波电容C2c的另一端并联连接后连接到***的中性点。
第一DC/AC变换器和第二DC/AC变换器均可实现能量的双向传输，而且分别具有控制低压配电网交流接口处电流和交流母线接口处电压电能质量的功能。
不同于现有技术，本发明可同时通过两条能量路径对交流负荷和直流负荷传输有功功率，具体的：
如图4所示：交流负荷供能方面：交流负荷有功功率通过第一路径和第二路径获得，所述第一路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一交流有功功率P1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提第一交流有功功率P1；所述第二路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线和第二DC/AC变换器输出第二交流有功功率P2，再经交流母线和交流负荷接口为交流负荷提供第二交流有功功率P2，所述交流负荷有功功率PLAC＝P1+P2。所述第一交流最大有功功率P1max等于额定有功功率PR,所述第二交流最大有功功率P2max等于额定有功功率PR,所述交流负荷最大有功功率PLACmax＝2PR。
如图5所示：直流负荷有功功率通过第三路径和第四路径获得，所述第三路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一直流有功功率P3，经变压器、第二DC/AC变换器、直流母线和多个直流负荷接口为直流负荷提供第一直流有功功率P3；所述第四路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线输出第二直流有功功率P4，再经多个直流负荷接口为直流负荷提供第二直流有功功率P4，所述直流负荷有功功率PLDC＝P3+P4。所述第一直流最大有功功率P3max等于额定有功功率PR,所述第二直流最大有功功率P4max等于额定有功功率PR,所述直流负荷最大有功功率PLDCmax＝2PR。
因此，交流负荷与直流负荷的有功功率可同时由两条路径进行传输，使电能路由器***可为交流负荷和直流负荷提供最大2倍的额定有功功率，从而大大增强了路由器有功功率的传输能力。
不仅如此，本发明中的第二DC/AC变换器本身具有传输***额定无功功率的能力，而且通过第二DC/AC变换器控制交流母线的电压相位角，从而调节变压器两端电压的相位角，可使第一DC/AC变换器具有为交流负荷传输无功功率的能力。由此可见，本发明可同时通过两条能量路径对交流负荷传输无功功率，具体的：
如图6所示：交流负荷无功功率通过第五路径和第六路径获得，所述第五路径由第一DC/AC变换器输出第一交流无功功率Q1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第一交流无功功率Q1；所述第六路径由第二DC/AC变换器输出第二交流无功功率Q2，再经交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第二无功功率Q2，所述交流负荷无功功率QLAC＝Q1+Q2。所述第一交流最大无功功率Q1max等于变压器最大容量QTr，所述第二交流无功功率Q2等于额定无功功率QR，所述交流负荷最大无功功率QLACmax＝QTr+QR。
因此，交流负荷的无功功率可同时由两条路径进行传输，使电能路由器***可为交流负荷提供最大QTr+QR的无功功率，从而大大增强了路由器无功功率的传输能力。

Claims (9)

1.一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述电能路由器包括第一DC/AC变换器、第二DC/AC变换器、变压器、交流母线、直流母线、低压配电网交流接口、储能装置接口、分布式电源接口、多个交流负荷接口以及多个直流负荷接口；
所述变压器一次侧两端分别与低压配电网交流接口和交流母线连接，所述变压器二次侧两端分别与第一DC/AC变换器的交流侧和***中性点连接；所述第二DC/AC变换器的交流侧与交流母线连接；所述第一DC/AC变换器的直流侧和第二DC/AC变换器的直流侧均与直流母线连接；所述交流母线与多个交流负荷接口连接；所述直流母线分别与储能装置接口、分布式电源接口以及多个直流负荷接口连接。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述第一DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第一桥臂上开关管S1的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第一桥臂下开关管S2的下端，所述第一桥臂上开关管S1的下端与第一桥臂下开关管S2的上端并联连接后连接第一滤波电感L1a的一端，所述第一滤波电感L1a的另一端与变压器的二次侧连接；第二桥臂上开关管S3的上端连接第一桥臂上开关管S1的上端，第二桥臂下开关管S4的下端与第一桥臂下开关管S2的下端连接，所述第二桥臂上开关管S3的下端与第二桥臂下开关管S4的上端并联连接后连接第二滤波电感L1b的一端，第二滤波电感L1b的另一端与变压器的二次侧连接；第三桥臂上开关管S5的上端与第二桥臂上开关管S3的上端连接，第三桥臂下开关管S6的下端与第二桥臂下开关管S4的下端连接，所述第三桥臂上开关管S5的下端与第三桥臂下开关管S6的上端并联连接后连接第三滤波电感L1c的一端，所述第三滤波电感L1c的另一端与变压器的二次侧连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述第二DC/AC变换器采用三相半桥电路拓扑，直流母线电容Cdc的正极性端连接第四桥臂上开关管S7的上端，直流母线电容Cdc的负极性端连接第四桥臂下开关管S8的下端，所述第四桥臂上开关管S7的下端和第四桥臂下开关管S8的上端并联连接后连接第四滤波电感L2a的一端，所述第四滤波电感L2a的另一端与第一滤波电容C2a的一端并联连接后连接交流母线；第五桥臂上开关管S9的上端与第四桥臂上开关管S7的上端连接，第五桥臂下开关管S10的下端与第四桥臂下开关管S8的下端连接，所述第五桥臂上开关管S9的下端与第五桥臂下开关管S10的上端并联连接后连接第五滤波电感L2b的一端，所述第五滤波电感L2b的另一端与第二滤波电容C2b的一端并联连接后连接交流母线；第六桥臂上开关管S11的上端与第五桥臂上开关管S9的上端连接，第六桥臂下开关管S12的下端与第五桥臂下开关管S10的下端连接，所述第六桥臂上开关管S11的下端与第六桥臂下开关管S12的上端并联连接后连接第六滤波电感L2c的一端，所述第六滤波电感L2c的另一端与第三滤波电容C2c的一端并联连接后连接交流母线；所述第一滤波电容C2a的另一端、第二滤波电容C2b的另一端和第三滤波电容C2c的另一端并联连接后连接到***的中性点。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：交流负荷有功功率通过第一路径和第二路径获得，所述第一路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一交流有功功率P1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第一交流有功功率P1；所述第二路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线和第二DC/AC变换器输出第二交流有功功率P2，再经交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第二交流有功功率P2，所述交流负荷有功功率PLAC＝P1+P2。
5.根据权利要求4所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述第一交流最大有功功率P1max等于额定有功功率PR,所述第二交流最大有功功率P2max等于额定有功功率PR,所述交流负荷最大有功功率PLACmax＝2PR。
6.根据权利要求1所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：直流负荷有功功率通过第三路径和第四路径获得，所述第三路径由低压配电网经低压配电网交流接口输入第一直流有功功率P3，经变压器、第二DC/AC变换器、直流母线和多个直流负荷接口为直流负荷提供第一直流有功功率P3；第四路径由储能装置经储能装置接口、分布式电源经分布式电源接口后，经直流母线输出第二直流有功功率P4，再经多个直流负荷接口为直流负荷提供第二直流有功功率P4，所述直流负荷有功功率PLDC＝P3+P4。
7.根据权利要求6所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述第一直流最大有功功率P3max等于额定有功功率PR,所述第二直流最大有功功率P4max等于额定有功功率PR,所述直流负荷最大有功功率PLDCmax＝2PR。
8.根据权利要求1所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：交流负荷无功功率通过第五路径和第六路径获得，所述第五路径由第一DC/AC变换器输出第一交流无功功率Q1，再经变压器、交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第一交流无功功率Q1；所述第六路径由第二DC/AC变换器输出第二交流无功功率Q2，再经交流母线和多个交流负荷接口为交流负荷提供第二无功功率Q2，所述交流负荷无功功率QLAC＝Q1+Q2。
9.根据权利要求8所述的一种适用于低压配电网的大功率电能路由器，其特征在于：所述第一交流最大无功功率Q1max等于变压器最大容量QTr，所述第二交流无功功率Q2等于额定无功功率QR，所述交流负荷最大无功功率QLACmax＝QTr+QR。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN113890035A (zh) * 2021-09-28 2022-01-04 燕山大学 一种基于串并联型电能路由器的多模式统一控制方法
CN113890570A (zh) * 2021-10-29 2022-01-04 上海大周能源技术有限公司 一种直流微电网电能路由器电力载波通信***及通信方法
CN116316912A (zh) * 2023-03-31 2023-06-23 燕山大学 基于双自由度多约束关系的电能路由器功率控制方法

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