CN106229984A - 一种基于交直流混合配用电的多端口电能交换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于交直流混合配用电的多端口电能交换器，所述电能交换器包括：由电力电子固态模块、固态模块控制器、保护与驱动模块、监测与传感模块、内部供电模块、电能接口模块和储能模块组成的电气物理层和由智能控制模块、通信模块和上层管理与应用模块组成的电气信息层。该发明实现了配电网中分布式电源的统一并网功能的管理，构建了统一的直流和交流线路，统一的电能质量控制，统一的能量管理。
Description
技术领域
本发明涉及一种电能交换器，特别涉及一种基于交直流混合配用电的多端口电能交换器。
背景技术
随着经济社会的发展，能源生产和消费的持续增长，化石能源的大量开发和使用，导致资源紧张、环境污染、气候变暖、冰川消融、海平面上升等问题突显，严重威胁人类生存和可持续发展。随着新型工业化、信息化、城镇化、农业现代化不断推进，人民生活水平不断提高，能源消费仍将持续增长，能源需求压力日益增大。全球当前面临着“能源安全”、“环境污染”、“气候变化”三重挑战，要解决好能源问题，根本出路是构建全球能源互联网，加快清洁能源替代和电能替代，实现清洁能源大规模开发、大范围配置、高效率利用，保障能源安全、清洁、高效、可持续供应。
所谓能源互联网是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。
随着“能源互联网”的提出，以电网为核心的多种能源高效融合的新一代能源系统对配电网灵活可控、弹性坚强又提出了更高的要求；但由于风电、太阳能等绿色可再生能源发电具有间歇性、随机性的特点，所以传统的电力装备、电网结构和运行技术对于接纳越来越多的分布式可再生电源越来越力不从心，并且不同的负荷类型对电能质量和多种电能形式的定制需求也越来越强烈；因此需要提供一种方便分布式电源、储能、电动汽车接入的一体化柔性控制的交直流混合配用电的多端口电能交换器，以及其新的交直流混合配用电系统架构来更好的解决当前配电网面临的问题。
发明内容
本发明提供一种面向交流35kV、直流60kV以下交直流配电网电压级别的系列新型柔性控制多端口电能交换器、及其核心模块的主电路拓扑结构和以电能交换器为核心的新型交直流混合配用电系统架构。
本发明提供一种交直流混合配用电的多端口电能交换器，包括：电气信息层和电气物理层，所述电气物理层包括：电力电子固态模块、固态模块控制器、保护与驱动模块、监测与传感模块、内部供电模块、电能接口模块和储能模块；所述电气信息层包括：智能控制模块、通信模块和上层管理与应用模块。
所述电力电子固态模块通过电力电子变换器、直流链路、滤波器与电气接口连接；
所述电力电子固态模块通过内部供电模块的供电，以及与保护驱动模块、监测与传感模块、固态模块控制器间的信息传递，实现对所述电气物理层驱动和控制。
所述电气信息层将通信模块和电气物理层中监测与传感模块收集的信息进行处理、标准化；通过智能控制模块和上层管理与应用模块实现智能控制；通过设备内部信息总线或通信模块下发控制和管理调度指令；上层管理与应用模块实现人机界面的交互。
所述电力电子固态模块包括拓扑结构分别：直流链路采用中频变压器隔离方式的电路拓扑结构a和直流链路直接采用直流隔离方式的电路拓扑结构b。
所述电路拓扑结构a包括：并网级、高压直流配电级、隔离级、中低压直流配电级和交流源荷级；
所述并网级经高压直流链路与隔离级相连，所述隔离级经中压直流链路与交流源荷级相连。
所述并网级包括AC/DC变换器(1)；
所述高压直流配电级包括高压直流电气接口、高压双向DC/DC变换器和储能模块；
所述隔离级包括：依次连接的DC/AC变换器(1)、中高频变压器和AC/DC变换器(2)；
所述中低压直流配电级包括中压直流电气接口、DC/DC变换器(1)、低压直流电气接口、中压双向DC/DC变换器和储能模块；
所述交流源荷级包括DC/AC变换器(2)。
所述电路拓扑结构b包括：并网级、隔离级、储能级、交流源荷级和中低压直流配电级。
所述并网级包括三相或单相AC/DC变换器(3)；所述储能级包括DC/DC变换器(3)与储能模块；
所述交流源荷级包括DC/AC变换器(3)；
所述中低压直流配电级包括中压直流线路电气接口、DC/DC变换器(2)和低压直流线路电气接口，
并网级经直流链路级分别与储能级和隔离级相连，隔离级经直流链路级分别与交流源荷级和中低压直流配电级相连。
所述直流链路级包括由直流母线电容构成的直流链路。
所述中低压直流配电级的中压直流线路电气接口直接与直流链路级相并联，提供中压直流线路；DC/DC变换器(2)直接与直流链路级并联后经直流斩波与低压直流线路电气接口相连，提供低压直流线路。
一种基于所述电能交换器的新型交直流混合配用电系统，包括：电能交换器串联保护开关，经并网级与交流0.11kV～35kV三相或单相配电线路相连，电能交换器可以双向传递电能，在提供双向交流线路的同时，还可以提供多种电压等级的双向直流线路，并且统一进行分布式电源并网和电能质量控制。
所述电能交换器采用电路拓扑结构a时：其并网级与交流0.11kV～35kV交流配电线路并网连接，其高压直流配电级提供相应0.15kV～60kV高压直流配电线路，方便高压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时也可与其他电能交换器的高压直流配电级并联，不同的电能交换器互相连接的方式包括直流连接、交流连接或者两种方式都进行连接，同时，中低压直流配电级的中压接口提供0.15kV～0.8kV中压直流配电线路，方便中压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和中压直流负荷的直流并网接入，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入；
所述电能交换器采用电路拓扑结构b时：其并网级与交流0.11kV～35kV交流配电线路并网连接，由于该电路拓扑结构b的隔离级没有中高频变压器的隔离因此没有高压直流配电级，其中，中低压直流配电级的中压接口提供相应0.15kV～60kV直流配电线路，方便高压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时也可与其他电能交换器的相应等级直流配电级并联，不同的电能交换器互相连接的方式包括直流连接、交流连接或者两种方式都进行连接，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入；
不同电压等级的交直流线路和储能可根据不同的应用场景进行选择是否进行配置。
与最接近的现有技术比，本发明提供的技术方案具有以下优异效果：
本发明提出了一种交直流混合配电的多端口电能交换器实现了分布式电源、分布式储能和电动汽车的即插即用；
本发明提供的电能交换器的电力电子固态模块具有两种电路拓扑结构，实现了电能交换器在电气运行上的灵活配用电特点；
本发明提供的技术方案基于该电能交换器的新型交直流混合配用电系统架构，该系统由电能交换器统一管理并网功能，统一能量管理，统一构建直流和交流线路，统一电能质量控制，从而满足对分布式电源、分布式储能和电动汽车的即插即用接入的要求，以及多种电压等级的交直流混合配用电的需求。
附图说明
附图1：一种基于交直流混合配电的多端口电能交换器的结构示意图；
附图2：一种基于多端口电能交换器的新型交直流混合配用电系统架构；
附图3：一种基于交直流混合配电的多端口电能交换器的电力电子固态模块拓扑结构a；
附图4：一种基于交直流混合配电的多端口电能交换器的电力电子固态模块拓扑结构b。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供的面向交流35kV、直流60kV以下配电电压级别的系列新型柔性结构的交直流混合配电的多端口电能交换器、及其核心模块的主电路拓扑结构和以电能交换器为核心的新型交直流混合配用电系统架构。该系统由电能交换器统一管理并网功能，统一能量管理，统一构建多电压等级的直流和交流线路，统一进行电能质量控制，对分布式电源的即插即用接入，方便统一协调管理和提高效率，适合交直流混合配用电网构建。电能交换器是一种将电力电子变换技术、基于电磁感应原理的电能交换技术和信息技术结合为一体的技术，为将一种电力特征的电能转变为另一种电力特征的电力设备的技术，采用合适的拓扑结构和全可控电力电子器件可以方便实现四象限运行，实现有功、无功的双向传递。如附图1所示，本发明设计了包含电气信息层和电气物理层的电能交换器系统结构和新型交直流混合配用电系统架构。
交直流混合配电多端口电能交换器系统结构如下：
(1)电气物理层
电能交换器分为：电气物理层和电气信息层，其中电气物理层包括：电力电子固态模块、固态模块控制器、保护驱动模块、监测与传感模块、内部供电模块、电气接口模块和储能模块(可选)。该层是电能交换器用于电能控制和传递的物理装置，其中的电力电子固态模块通过电力电子变换器、直流链路、滤波器与电气接口连接，通过与内部供电模块、保护驱动模块、监测与传感模块和固态模块控制器的信息传递、内部供电等，形成对电气物理层的驱动和控制。通过电气接口提供多种电压级别的交流、直流线路与电网、交直流负载、分布式电源、电动汽车和分布式储能的连接，实现即插即用。
(2)电气信息层
电能交换器的电气信息层包括：智能控制模块、通信模块和上层管理与应用模块。该层将通信模块和电气物理层中监测与传感模块收集的信息加以处理、标准化，集成交直流混合配用电能量管理系统，通过智能控制模块和上层管理与应用模块实现智能控制，实现新型交直流混合配用系统内部的能量管理和调度、系统间的协调、状态监测，通过设备内部信息总线或通信模块下发控制和管理调度指令，上层管理与应用模块实现人机界面的交互如：权限管理和登录、信息安全管理、日志维护、优化策略生成、故障处理等。
作为电能交换器核心模块的电力电子固态模块的特性决定了整个设备的性能，如附图3和4所示的电能交换器电力电子固态模块的电路拓扑结构图，其中图3是直流链路采用中频变压器隔离方式的电路拓扑结构a，而图4是直流链路直接采用直流隔离方式的电路拓扑结构b。
附图3为电力电子固态模块的电路拓扑结构a包括：并网级、高压直流配电级、隔离级、中低压直流配电级和交流源荷级。其中并网级包括三相或单相AC/DC变换器1，供电模式下完成交流/直流变换，保持直流电压恒定和功率因数单位运行；并网模式下跟踪电网，控制与电网的电能交换，并网级经高压级直流链路与隔离级相连；高压直流配电级包括高压直流电气接口和高压双向DC/DC变换器与储能模块(可选)，提供高压直流配电线路和自有高压储能模块(可选)接入；在图3中隔离级包括：DC/AC变换器1、中高频变压器和AC/DC变换器2，供电模式下，隔离级DC/AC变换器1将并网级接入的直流电变换为中频方波交流电，经中高频变压器隔离，与AC/DC变换器2相连，AC/DC变换器2将中频方波交流电整流为直流电，保持直流电压恒定，隔离级支持双向电能传递，在向电网送电时，电流方向与供电模式相反，功能相同；中低压直流配电级包括：中压直流电气接口、DC/DC变换器1、低压直流电气接口(可选)、中压双向DC/DC变换器与储能模块(可选)，提供中压直流配电线路、低压直流配电线路(可选)和自有中压储能模块(可选)接入；交流源荷级与隔离级经中压直流链路相连，交流源荷级包括三相或单相DC/AC变换器2，负责提供高质量的三相四线工频交流供电或单相供电，提供交流分布式电源的直接并网连接。
图4为电力电子固态模块的电路拓扑结构b包括：并网级、隔离级、储能级(可选)、交流源荷级、中低压直流配电级，其中并网级包括三相或单相AC/DC变换器3，供电模式下完成交流/直流变换，保持直流电压恒定和功率因数单位运行；并网模型下跟踪电网，控制与电网的电能交换；并网级经直流链路级与储能级、交流源荷级、直流源荷级相连；直流链路级包括直流母线电容构成的直流链路；储能级与直流链路级相连；储能级包括DC/DC变换器3与储能模块(可选)，提供给电能交换器在线储能(可选)；交流源荷级和中低压直流级都与直流链路级相连，交流源荷级包括三相或单相DC/AC变换器3，负责提供高质量的工频三相四线交流供电或单相工频交流供电以及交流分布式电源的直接并网连接；中低压直流配电级包括中压直流线路电气接口、DC/DC变换器2和低压直流线路电气接口，中压直流线路电气接口直接与直流链路相并联，提供中压直流线路，DC/DC变换器2也直接与直流链路相并联，经直流斩波与低压直流线路电气接口相连，提供低压直流线路。
新型交直流混合配用电系统构成如下：
附图2为通过所述多端口电能交换器构建的新型交直流混合配用电系统，电能交换器用于统一并网控制，统一能量管理，统一提供交、直流线路，而其他分布式电源接入的电力电子装备只需考虑机侧变流控制，新型交直流混合配用电系统与配电网的并网和电能交换由电能交换器统一管理，进行一体化控制，完全隔离新型交直流混合配用电系统与配电网间的干扰和故障隔离，统一控制电能质量。
如附图2所示，为以多端口电能交换器为核心的新型交直流混合配用电系统1、2、3，其中的交直流混合配用电系统1详细展现了其系统架构和组成方式，交直流混合配用电系统的个数没有限定，从而组成新型交直流混合的灵活配电网。交直流混合配用电系统1中的电能交换器1采用拓扑结构a，电能交换器1串联保护开关，经并网级与交流0.11kV～35kV三相或单相配电线路相连，电能交换器的高压直流配电级提供的0.15kV～60kV高压直流配电线路方便分布式电源(风电、光伏、燃料电池等)、分布式储能(飞轮储能、电池等)、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时与其他电能交换器的高压直流配电级并联，不同电能交换器间的连接方式可以是直流也可是交流或者两种方式都进行连接的方式，图中示出了三个电能交换器交流和直流都连接的连接方式，同时，中低压直流配电级的中压接口提供0.15kV～0.8kV中压直流配电线路，方便中压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和中压直流负荷的直流并网接入，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入；
如果采用拓扑为b的电能交换器，由于该种电能交换器没有高压直流配电级，将中低压配电级的中压DC线路进行连接。其中，中低压直流配电级的中压接口提供相应0.15kV～60kV直流配电线路，方便高压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时也可与其他电能交换器的相应等级直流配电级并联，不同的电能交换器互相连接的方式包括直流连接、交流连接或者两种方式都进行连接，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入。
不同电压等级的交直流线路根据不同的应用场景进行选择配置，图中给出的例子是全部线路都具备的情况，也可进行各种线路的组合选择。
本发明提供的技术方案中整个交直流混合配用电网还构建了多种信息通信功能，使得交直流混合配用电系统由配电系统能量管理中心统一调度。信息通信包括系统间信息、系统内信息和设备内部信息3个层面，如附图2中所示，电能交换器的通信模块提供内部和外部实时通信连接，提供多种通讯协议的转换和多种信息接入接口，实现通信和信息上的即插即用。系统间信息的广域网通信，可用的通信网络有移动5G、4G通信、高速以太网通信、ZigBee和wireless LAN无线通信等；系统内信息通信的局域网通信，可以与广域网通信网络一致，也可以采用电力线载波PLC通信，此外，如通信模块与电能交换器内部芯片级的信息进行通信，由于可选多种控制芯片，如：ARM，DSP，FPGA和单片机等，各层次数据交换可以由多种通信方式组成，如：GPIO数据口，串口，USB,，SPI，CAN等，都能实现高速数据传输，根据通信芯片间具备的引脚接口选择通信方式，通信协议可以参考工业设备间通信协议ModBus等。
最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制,尽管参照上述实施例对本申请进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本申请后依然可对申请的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。
Claims (12)
1.一种基于交直流混合配用电的多端口电能交换器，其特征在于，所述电能交换器包括：电气物理层和电气信息层，所述电气物理层包括：电力电子固态模块、固态模块控制器、保护与驱动模块、监测与传感模块、内部供电模块、电能接口模块和储能模块；所述电气信息层包括：智能控制模块、通信模块和上层管理与应用模块。
2.如权利要求1所述的电能交换器，其特征在于，所述电力电子固态模块通过电力电子变换器、直流链路、滤波器与电气接口连接；
所述电力电子固态模块通过内部供电模块的供电，以及与保护驱动模块、监测与传感模块、固态模块控制器间的信息传递，实现对所述电气物理层驱动和控制。
3.如权利要求1所述的电能交换器，其特征在于，所述电气信息层包括：
对通信模块和电气物理层中监测与传感模块收集的信息进行处理、标准化；
通过智能控制模块和上层管理与应用模块实现智能控制；
通过设备内部信息总线或通信模块下发控制和管理调度指令；
上层管理与应用模块实现人机界面的交互。
4.如权利要求1所述的电能交换器，其特征在于，所述电力电子固态模块包括的拓扑结构：
直流链路采用中频变压器隔离方式的电路拓扑结构a；
直流链路直接采用直流隔离方式的电路拓扑结构b。
5.如权利要求4所述的电能交换器，其特征在于，所述电路拓扑结构a包括：并网级、高压直流配电级、隔离级、中低压直流配电级和交流源荷级；
所述并网级经高压直流链路与隔离级相连，所述隔离级经中压直流链路与交流源荷级相连。
6.如权利要求5所述的电能交换器，其特征在于，所述并网级包括AC/DC 变换器(1)；
所述高压直流配电级包括高压直流电气接口、高压双向DC/DC变换器和储能模块；
所述隔离级包括：依次连接的DC/AC变换器(1)、中高频变压器和AC/DC变换器(2)；
所述中低压直流配电级包括中压直流电气接口、DC/DC变换器(1)、低压直流电气接口、中压双向DC/DC变换器和储能模块；
所述交流源荷级包括DC/AC变换器(2)。
7.如权利要求4所述的电能交换器，其特征在于，所述电路拓扑结构b包括：并网级、隔离级、储能级、交流源荷级和中低压直流配电级；
并网级经直流链路级分别与储能级和隔离级相连，隔离级经直流链路级分别与交流源荷级和中低压直流配电级相连。
8.如权利要求7所述的电能交换器，其特征在于，所述并网级包括AC/DC变换器(3)；所述储能级包括DC/DC变换器(3)与储能模块；
所述交流源荷级包括DC/AC变换器(3)；
所述中低压直流配电级包括中压直流线路电气接口、DC/DC变换器(2)和低压直流线路电气接口；
所述直流链路级包括由直流母线电容构成的直流链路。
9.如权利要求8所述的电能交换器，其特征在于，所述中低压直流配电级的中压直流线路电气接口与直流链路级并联，提供中压直流线路；DC/DC变换器(2)与直流链路级并联后经直流斩波与低压直流线路电气接口相连，提供低压直流线路。
10.一种基于权利要求4所述电能交换器的新型交直流混合配用电系统，其特征在于，电能交换器串联保护开关，经并网级与交流0.11kV～35kV三相或单 相配电线路相连，电能交换器双向传递电能，在提供双向交流线路的同时，提供多种电压等级的双向直流线路，统一进行分布式电源并网和电能质量的控制。
11.如权利要求10所述的新型交直流混合配用电系统，其特征在于，所述电能交换器采用电路拓扑结构a时：其并网级与交流0.11kV～35kV交流配电线路并网连接，其高压直流配电级提供相应0.15kV～60kV高压直流配电线路，方便高压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时也可与其他电能交换器的高压直流配电级并联，不同的电能交换器互相连接的方式包括直流连接、交流连接或者两种方式都进行连接，同时，中低压直流配电级的中压接口提供0.15kV～0.8kV中压直流配电线路，方便中压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和中压直流负荷的直流并网接入，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入。
12.如权利要求10所述的新型交直流混合配用电系统，其特征在于，所述电能交换器采用电路拓扑结构b时：其并网级与交流0.11kV～35kV交流配电线路并网连接，由于该电路拓扑结构b的隔离级没有中高频变压器的隔离因此没有高压直流配电级，其中，中低压直流配电级的中压接口提供相应0.15kV～60kV直流配电线路，方便高压直流型分布式电源、分布式储能、电动汽车、和高压直流负荷的直流并网接入，同时也可与其他电能交换器的相应等级直流配电级并联，不同的电能交换器互相连接的方式包括直流连接、交流连接或者两种方式都进行连接，中低压直流配电级的低压接口也可提供0.005kV-0.048kV低压直流配电线路，直接给低压直流负荷提供直流用电，交流源荷级提供高质量的0.11kV～0.4kV工频三相或单相交流供电，提供相关交流型分布式电源、储能和负荷的接入；
不同电压等级的交直流线路和储能可根据不同的应用场景进行选择是否进行配置。
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