CN107017638A - 一种适用于配电网的多端口多母线电能路由器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于能源互联网的多端口多母线电能路由器拓扑结构，属于电力电子变换器领域，可大范围应用在输电和配电端。该电能路由器拓扑结构分为高压端、中间级和低压端三部分，具体包括高压交流输电端和电压等级分别为600‑800V，350‑400V和48V的三种直流母线输出端，同时包括单相交流和三相交流负载输出端，及可再生能源和储能元件接入端等端口。其核心部分由模块化多电平换流器和双有源桥式双向DC/DC变换器构成。本发明提出的拓扑结构可实现电能路由器所要求的能量双向流动和多端口多母线设计，方便不同电压等级和形式的负载、电源及储能设备接入；并使用模块化拓扑进行连接，提高电能传输效率，易于规模化生产。

Description

一种适用于配电网的多端口多母线电能路由器拓扑结构

技术领域

本发明属于电力电子在智能电网中的应用领域，涉及了一种多端口的多母线电能路由器拓扑结构。

背景技术

长期以来，我国的电力工业呈现高度一体化“集中、垂直”模式，传统电网一般包括发电、输电、配电和售电四个环节，电能从高压输电端单向传递到用电端，基本上为单向流动；并且我国的地理位置决定了能源分布不均衡，输电线路长，这样导致了电能的利用率不高，且损耗较大。

近年来出现分布式发电的概念，打破原有由上至下的垂直模式，同时随着风力发电、光伏发电等可再生能源的出现和对应技术的越发成熟，对电网的功率双向流动要求日益增高，在继续保证电网传输稳定性的同时，进一步追求高效性和互联性。在电网运行模式方面，由于直流输电网不存在交流输电网固有的稳定问题，而且分布式电源(如光伏发电或储能)多以直流输出，用户侧的负荷也越来越多采用直流供电，电网由交流电网演变为交直流混合电网，进而衍生出智能电网和能源互联网。

随着可再生能源分布式电网和就地消纳等利用方式的大面积推广，用户不仅能从能源互联网中接受电能，还能向其输送电能，这种自由开放的能源交互体制，会产生更多的能源转移问题，而实现更复杂的能量转移需要依靠电能路由器。

电能路由器是能源互联网中的核心部分，连接配电网和负载端，并且可以实现电能双向流动，符合当今的电网需求。根据电网和负荷的要求，电能路由器需要满足不同输入输出的需求，在电路拓扑上应该具有更多的兼容性和扩展能力。从电能路由器的功能架构来看，多端口多母线结构，实现电能双向流动，即插即用是电能路由器的主要优势。

已有电能路由器拓扑结构的局限性在于，没有统一的拓扑形式，并且未考虑可再生能源的接入，有的拓扑未同时提供多级直流或交流母线，或者仅适用于交流负载或直流负载单一形式的负载，使其功能具有较大局限性。

发明内容

本发明的目的是提出一种智能电网中连接配电端和负载端的中间设备，提供适用于不同负载的多端口多母线输出，并提供可再生能源及储能元件的接口，实现可再生能源和负载的匹配运行，达到电能的双向流动，进而实现高效互联的智能化配电网络。

首先说明一点，同互联网中的路由器类比可知，电能路由器大致可以分为能量层和通信层两大方面，而本发明提出的多端口电能路由器拓扑结构，侧重于基于电力电子变换器的能量层硬件结构，含可再生能源、储能和负载等部分的连接，不涉及通信部分。

本发明的拓扑结构大致为高压配电端、中间级隔离部分和低压输出端几个部分。主要特征在于，其核心部分为模块化多电平换流器和双有源桥式双向DC/DC变换器。所发明的拓扑具有高度模块化的特点，增加了可靠性和冗余性，便于集成化设计和生产，提高了电路稳定性和可扩展性。本发明提出的电能路由器拓扑结构，在将高压侧的交流电输送到低电压负载端的同时，提供多端口和多母线输出接口。

高压端通过MMC三相模块化多电平变流器，连接电网配电端的三相交流电，起到整流的作用，将高压交流电整流为高压直流电。

MMC电路输出的高压直流连接DAB双有源桥电路。后者的好处在于，使用隔离型DC/DC变换，减少电路两端互相干扰，并可实现功率双向流动。此处的前后电压等级相差较大，因此通过DAB双有源桥电路的输入端串联和输出侧并联的方式实现隔离和降压，并通过增加DAB电路的个数来降低单个电路的耐压和电流。

低压输出端以直流母线的形式接出，构成直流微网，提供多种直流和交流负载标准端口，及可再生能源发电设备、储能元件的接口。直流母线有三级，电压范围分别为600-800V，350-400V和48V，不同电压等级的直流母线之间通过降压电路相连。可再生能源和储能元件接在第一级直流母线端，三相和单相交流负载通过三相和单相逆变电路连接在第一、二级直流母线端。因此，本发明提出的多端口多母线电能路由器结构，充分考虑了实际电网中交直流负载共存的情况，并提供可再生能源和储能元件的接口，符合当今能源利用和社会发展可持续性的需求。

本发明提出的多端口多母线电能路由器拓扑结构工作过程如下。

当配电端高压交流电输入MMC电路，其内部子模块进行整流，得到高压直流电，进而通过中间级DAB隔离型DC/DC直流变换电路进行降压和隔离。经过降压的电路输出600-800V直流母线，为储能设备和新能源发电提供接口，并通过三相逆变器提供三相交流电。在此母线基础上，通过连接降压电路，提供350-400V直流母线，向高压直流负载供电，并通过单相逆变器提供单相交流电。在第二级直流母线的基础上再次连接降压电路，提供48V低压直流母线，向家用直流负载供电。拓扑中控制电能流动方向的结构主要为MMC和DAB双向电路，以及接在储能装置上的充放电电路。新能源发电和负载的接入量决定了整个电能路由器内电能传输的方向。

本发明的技术特点和拟达到效果为，高效实现电能路由器的多端口多母线设计和电能的双向流动，保证电能路由器在两端的电压等级相差较大的情况下还能稳定传输，并保证可再生能源的即接即用。本发明提出的适用于配电网的多端口多母线电能路由器结构优势明显，输出端提供多级直流母线，并可同时满足交流和直流两种负载，每种负载均有多种形式的端口，并加入可再生能源和储能元件，适用范围较广。

附图说明

本发明提出的拓扑示意图用于解释本发明内容，并不是电能路由器的唯一结构。在说明书附图中，图1为本发明主要介绍的多端口多母线电能路由器拓扑结构，包括高压输入端和直流、交流负载端口，并连接可再生能源和蓄电池、超级电容储能元件。

图2为本发明提出的以模块化多电平变流器和双有源桥电路作为核心部分的多端口多母线电能路由器具体线路连接示意图。

具体实施方式

本发明提出一种适用于配电网的多端口多母线电能路由器拓扑结构，其主要特点是，具有不同形式的负载端口和可再生能源、储能元件接口，并连接多级直流母线。

本发明提出的电能路由器拓扑结构的具体功能是，输入端连接高压配电网10-110kV的高压交流电，输出端得到600-800V，350V-400V和48V的三级直流母线，便于提供多种负载形式的标准化接口，同时可通过单相或三相逆变器结构向单相或三相交流负载供电。第一级直流母线端接入风力发电机、光伏电池板等分布式可再生能源，另加入蓄电池、超级电容作为互补储能元件，使直流母线作为电能输送端，从而实现电能的双向流动。

电能路由器的适用场合一般需挂接中压配电网，其输入电压较高。本发明基于电力电子变换器，采用MMC模块化多电平变流器电路作为高压端的整流电路。MMC电路由若干个子模块组成。图2给出了一个基本的电能路由器实例。此处选择子模块为半桥型电路，即两个全控型IGBT功率器件串联后和一个直流储能电容并联组成。2n个子模块级联构成一相，分为上下两个半桥。6n个子模块构成三相桥臂，三相并联构成一个完整的MMC结构。MMC子模块结构除了半桥型，还有全桥型和箝位-全桥型，可根据直流短路阻断功能进行灵活选择。MMC电路内子模块的个数由电压等级和器件耐压水平决定。

在本发明中提出的电能路由器拓扑中，如图1所示，高压端通过A、B、C三个输入端接入MMC电路，输入10-110kV高压交流电。三相高压交流电依次连接MMC电路的三相桥臂的三个中点。三相MMC电路的两端分别与中间级DC/DC变换电路两端并联。

此外，本发明提出的电能路由器拓扑结构的中间级选择隔离型DAB双有源桥电路，通过高频变压器提供高低压端的电气隔离功能，为用户侧安全用电提供了保障。同时变压器变比也为高低压的变换提供了方便。如图2所示，DAB电路内部由IGBT或MOSFET功率器件和高频变压器组成，四个功率器件IGBT组成一个有两组上下桥臂的H桥，两端与一个电容并联；两组相同的H桥电路通过中间的高频变压器相连。高压变压器的原边连接前端H桥两桥臂的中点，副边连接后端H桥两桥臂中点。其中变压器原边与H桥连接一侧通过一个电感相连。高频变压器将市电交流侧和负载、新能源、储能设备侧隔离，确保电能质量并抑制交流侧谐波。多个DAB模块之间采用输入端串联，输出端并联的方式连接，整个模块的正负级与前端的MMC电路两端并联。其中DAB电路的个数由电压等级、电能路由器负载水平及器件耐压耐流水平决定。

输出端将每个DAB模块的正极和负极分别相连，并以直流母线的形式输出，便于通过直流母线电压的变化情况反映系统的功率流动和实时能量平衡。DAB电路输出的第一级高压直流母线的电压范围为600-800V。在第一级直流母线的电压等级范围内，提供风力发电机、光伏电池板等可再生能源和蓄电池组、超级电容接口，并可通过三相逆变器连接三相交流负载。

第一级直流母线的电压范围仍然较高，并未达到家庭用电的需求。因此第一级直流母线通过降压电路得到350-400V第二级中压直流母线，在此电压等级范围内，可向充电桩等大功率直流负载供电，并通过单项逆变电路连接单相交流负载。在此基础上再通过一级大变比DC/DC降压电路，电压可降到48V左右，输出第三级直流母线，供家庭直流负载使用。

本发明提出的电能路由器拓扑结构中，输出端直接以直流母线的形式连接，其电压的稳定直接关系着低压侧用电网络的供电质量，因此直流母线的控制十分关键。本发明提出的多端口多母线即为多级母线提供的多种电压等级负载端口，并具有直流和交流两种电气形式的端口，同时提供分布式能源接口。

本发明提出的电能路由器拓扑，能量可以在多个端口之间实现多向自由流动，提供了灵活的能量传输方式。另外，该系统具有高、低压交流侧的电能质量调节功能，开关频率高。整流级的MMC电路和中间级DAB双有源桥电路均采用多模块电路连接，提高了单个模块输入侧耐压，且内部均由多个单一模块构成，结构大大简化。通过本发明提出的拓扑结构，实现了电能路由器的多端口和多母线设计，保证了能量的双向流动，并减小电能路由器体积，整体性能也有较大提升。

图2只表示出本发明提出的拓扑结构中的一种拓扑示例和输出接口情况，体现了本发明提出的适用于配电网的多端口多母线电能路由器拓扑结构的核心部分，即MMC电路和DAB电路的具体连接方式和三级直流母线。

以上所述仅为本发明提出的一种电能路由器拓扑结构具体描述，并不用以限制本发明，凡在本发明包含范围内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于能源互联网的多端口电能路由器拓扑结构，属于电力电子变换器领域，可大范围应用在输电和配电端，其特征在于，该电能路由器拓扑结构分为高压端，中间级和低压端三部分，具体包括高压交流输电端和电压等级分别为600-800V，350-400V和48V的三种直流母线输出端，同时包括单相交流和三相交流负载输出端，及可再生能源和储能元件接入端等端口，其核心部分由MMC(Modular Multilevel Converter)模块化多电平换流器和DAB(Dual-Active-Bridge)双有源桥式双向DC/DC变换器构成。

2.如权利要求1所述的电能路由器，其特征在于，高压输电端输出10-110kV三相交流电，首先通过MMC模块化多电平变流器整流为高压直流电，其中MMC电路内部由三相若干子模块级联构成，高压输电端输出的三相电分别连接MMC电路的三个桥臂中点，MMC电路内子模块个数由电压等级和器件耐压水平决定。

3.如权利要求2所述的电能路由器，其特征在于，中间级为DAB双有源桥电路，各DAB模块之间采用输入端级联、输出端并联的形式连接，输入端与MMC电路两端并联，DAB输出端提供电压等级为600-800V的直流母线，DAB电路个数由电压等级、电能路由器负载水平及器件耐压耐流水平决定。

4.如权利要求3所述的电能路由器，其特征在于，电能路由器提供电压分别为600-800V，350-400V和48V的三级直流母线，三种不同电压等级的直流母线之间通过降压电路连接。

5.如权利要求4所述的电能路由器，其特征在于，第一级600-800V直流母线端连接风力发电机、光伏电池板等可再生能源，通过双向变换器连接蓄电池组、超级电容储能元件，通过三相逆变电路连接三相交流负载。

6.如权利要求5所述的电能路由器，其特征在于，第一级直流母线通过降压电路，将600-800V降为350-400V，输出第二级直流母线，第二级直流母线端连接直流充电桩，并通过单项逆变电路连接单相交流负载。

7.如权利要求6所述的电能路由器，其特征在于，第二级直流母线通过降压电路，将350-400V降为48V，输出第三级直流母线，第三级直流母线端向家用直流负载供电。