CN107425733A - 一种低压电能路由器拓扑及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低压电能路由器拓扑及控制方法，综合了串联补偿装置和并联补偿装置的优点，既可解决电源端的供电质量问题为重要用户提供优质电能；也可解决负载端的用电质量问题是一种综合电能质量控制装置；采用三个桥臂换流器包括电源端并联交流负载端串联方式和电源端串联交流负载端并联方式，直流储能电容器C两端设置有分布式电源和储能接口、直流负载供电接口，除能实现常规的交流电源侧与交流负载侧电能质量控制、能量双向流动功能外，还能为分布式电源和储能提供接口、对直流负载和交流负载供电，该电路完全能满足低压电能路由器的基本功能要求。

Description

一种低压电能路由器拓扑及控制方法

【技术领域】

本发明属于电工技术中的电能质量控制及电能变换领域，特别涉及一种低压电能路由器拓扑及控制方法。

【背景技术】

能源是人类生存和发展的物质基础。随着全球气候、环境变化的加剧和传统化石能源日渐枯竭，一场以可再生能源和新能源发展为核心的新能源革命悄然兴起。调整能源结构，大力发展可再生能源已成为世界各国解决能源安全、环境污染、气候变化等重大问题的共识。如何实现可再生能源的大规模开发与高效利用，是国内外当前关注的热点。

目前对能源互联网的概念理解尚未统一，特征及内涵还在不断探讨中。总的来说，能源互联网是以电力网为基础，充分利用可再生能源、智能电网及互联网技术，融合电力网、天然气网等多能源网及电气化交通网，形成多种能源高效利用和多元主体参与的能源互联共享网络，消纳高渗透率可再生清洁能源为核心。

目前，世界上许多国家和地区对能源互联网都在进行探索，并形成了一些能源互联网的雏形。其中，典型代表为2008年美国国家自然科学基金委启动支持的未来可再生电力能源转换与管理(FREEDM)项目。FREEDM系统具有三个核心技术特征：1)包含低压交流母线和直流母线的“即插即用接口”(plug&play interface)；2)智能能量管理(intelligenceenergy management，IEM)装置，或称为能量路由器(energy router)，即能实现交直流变换，又能实现功率管理和控制；3)开放式的分布式电网控制系统。FREEDM系统中，交流母线和直流母线同时存在，交流母线为交流负荷供电，直流母线主要用于接入分布式电源(Distributed renewable energy resource，DRER)、分布式储能(Distributed energystorage device：DESD)及直流负载，它们均通过IEM与主网相连。主网还设有智能故障管理(Intelligent fault management，IFM)装置等。

能源互联网为解决可再生能源的高效利用问题，提供了可行的思路与技术方案。能源互联网的实现将需要解决许多关键技术，如先进储能、固态变压器、智能能量管理、智能故障管理、可靠安全通信等。

以计算机信息互联网架构为基础，在能源互联网中，网间互联的输电网组成能源互联网的“主干电网”；而配电网组成能源互联网中的能源“局域网”。各种形式和规模的“电能路由器/能源路由器/电能交换器”是构建未来能源互联网的关键装备。

能源互联网的关键技术之一—电能路由器，是一种集成融合了信息技术与电力电子变换技术、实现分布式能量高效利用和传输的电力装备，其电路拓扑和运行控制与可再生能源接纳、灵活电力变换息息相关。电力电子变换技术使电能路由器为各种类型的分布式电源、储能设备和负载提供所需的电能接口和即插即用能力，还具备变流、电气隔离、能量双向传递和电能质量控制等功能，使配电网络内各节点的能量大小和方向按用户所需优化控制，实现分布式电源、储能的高效应用。

电能路由器作为电力局域网与主干电网的交互接口，一方面负责局域网内部各个设备的运行和管理，同时接收上层电力调度中心的指令并上传局域网的运行状态。配电网中的电能路由器可根据功率等级及网络的位置分为3级：主干电能路由器、区域电能路由器以及家庭电能路由器等。面向家庭、智能楼宇和社区用中小型电能路由器距离用电消费者更近，所需数量最多，其体积、成本和效率是更为重要的因素，是本发明关注的问题。

许多研究者对电能路由器的功能、要求、作用及实现技术进行了探讨。总的来看，未来构建能源局域网的电能路由器是结构模块化、接口标准化、控制智能化、通讯坚强化、系统鲁棒化的集监测、计算、精确控制、远程协作和高度自治的智能型设备，主要应具备以下基本特点：

(1)采用柔性控制的电力电子设备，体积小、重量轻、无环境污染；

(2)能够四象限运行、支持电能双向流动，具有主动能量调配能力；

(3)具有传统变压器、潮流控制器和电能质量控制装置的功能；

(4)具有主动故障隔离(断路器)能力；

(5)可以交直流混合供电和不间断供电，支持多种电气形式接口；

(6)分布式能源、储能装置、不确定负荷的即插即用接入；

(7)与物理设备高度融合的中央控制器和通信系统，既可以高度自治，也能够连接系统管理平台以及其他智能电力设备和消费者，实现在线监测和协调优化控制。

传统变压器仅能实现电压变换、隔离和能量传输的功能，难以满足能源互联网建设和发展需求。固态变压器(Solid State Transformer：SST)或称电力电子变压器(PowerElectronic Transformer：PET)作为一种利用电力电子器件进行高频能量和功率控制的电能变换器，不仅具有电气隔离和能量双向传输能力，还能提供即插即用功能；可实现可再生能源发电、储能和负载的有效管理，同时还具有：电压跌落补偿、断电补偿、瞬时电压调整、无功功率补偿、谐波隔离、故障隔离、直流输入/输出、体积小、环境友好等优点。所以，固态变压器目前被认为是能源互联网中构成各种电能路由器的核心装置。

固态变压器的拓扑结构根据电能变换的次数分为三类:单级式、两级式和三级式。大多数采用的三级式结构最理想，如图1所示，其良好的控制特性可使SST实现的功能更多，应用范围更广。三级式结构容易实现无功补偿、电压跌落补偿、能量双向流动、集成新能源和储能，也可输出直流为直流负载如电动汽车充电/供电等。但三级式结构也存在电能变换环节多、器件多，效率、可靠性低，控制复杂等不足。目前能源互联网中电能路由器的研究主要采用的是三级式结构。

固态变压器中的电气隔离是采用高频变压器进行的。高频变压器相对于传统工频变压器的工作频率高得多(如20kHz以上)，其铁心材料选用的不是普通硅钢片，而是铁氧体、非晶或纳米晶合金等磁性材料；线圈材料是相同的铜导线。

虽然相同容量的高频变压器比传统工频变压器的重量、体积减小了很多，但还是成为固态变压器中的主要部件。还有，制造变压器最基本的重要材料—铁、铜是不可再生资源。我国矿产资源未来将全面短缺，而且铁(磁性材料)、铜的冶炼及加工会消耗大量能源和环境污染。可以预计，基于铁、铜的变压器未来将会越来越贵，也会使用得越来越少。特别是，SST是对所传输的全部能量经过多次变换，其效率是一个值得关注的问题。

面向家庭、智能楼宇和社区应用的中小型电能路由器，距离用电消费者最近，是利用屋顶光伏分布式发电的主体；单一容量小、总体数量大，是就地收集、存储和高效、便捷利用分布式能源的一种必然途径。针对目前基于固态变压器来构成能源互联网中电能路由器存在的问题，在低压系统中不需要高低压电气隔离的场合，如何构建结构简单、电能变换效率高的低压电能路由器是一个值得探讨的问题。

目前来看，面向家庭、智能楼宇和社区应用的中小型低压电能路由器应是一个多端口系统，除从交流电网获得电源，向交流负载供电外，还应具有分布式新能源发电的并网接口、储能接口以及向直流负荷(如电动汽车充电)供电的直流电源接口，同时还要具有对交流电源和交流负荷电能质量控制的能力。

满足低压电能路由器要求的电路拓扑，首先考虑的方案是双PWM电路，其单相拓扑如图2所示。该拓扑能实现电能路由器几乎所有功能，如：四象限运行；电能质量控制；交直流混合供电支持多种电气形式接口；分布式能源、储能装置、负荷等的即插即用。但是，该电路唯一不足是对交流负载供电电能的变换是全逆变方式，电能变换效率低。这对在相当长时间内仍然以交流供用电为主的现实情况是不利的。

【发明内容】

针对现有技术的不足，本发明目的在于提出一种低压电能路由器拓扑及控制方法，旨在提高电能路由器的电能变换效率，减小低压电能路由器体积、降低成本。

为实现上述目的，本发明采用如下方案：

一种低压电能路由器拓扑，低压电能路由器采用三个桥臂换流器结构，包括6个电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，电力电子开关器件V1和V2构成桥臂1，电力电子开关器件V3和V4构成桥臂2，电力电子开关器件V5和V6构成桥臂3，每个电力电子开关器件均反并联有二极管，低压电能路由器拓扑结构分为电源端并联交流负载端串联结构和电源端串联交流负载端并联结构；

电源端并联交流负载端串联结构中桥臂1和桥臂2构成并联补偿装置，直流储能电容器C并联在桥臂1和桥臂2之间构成直流母线，桥臂2和桥臂3构成串联补偿装置，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C，交流进线滤波电感L_f1连接在交流电网电源V_s和桥臂1之间，交流输出滤波电容C_f和电感L_f2串联后连接在桥臂2和桥臂3之间，旁路开关K与交流输出滤波电容C_f并联后连接在桥臂2和桥臂3之间；

电源端串联交流负载端并联结构中桥臂1和桥臂2构成串联补偿装置，桥臂2和桥臂3构成并联补偿装置，直流储能电容器C并联在桥臂2和桥臂3之间直流母线，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C，交流进线滤波电感L_f1连接在交流电网电源V_s和桥臂3之间，交流输出滤波电容C_f和电感L_f2串联后连接在桥臂1和桥臂2之间，旁路开关K与交流输出滤波电容C_f并联后连接在桥臂1和桥臂2之间；

直流储能电容器C两端设置有分布式电源和储能接口、直流负载供电接口。

进一步，旁路开关K由接触器和电力电子双向开关组成。

进一步，旁路开关K由接触器和双向晶闸管组成。

进一步，交流进线滤波电感L_f1采用LCL滤波器结构。

进一步，分布式电源和储能接口与直流母线的采用隔离方式或非隔离方式连接。

一种低压电能路由器的控制方法，电网供电时，由并联补偿装置维持直流储能电容器C上的直流电压，为直流负载供电，并保证入网电流的电能质量和并网发电，串联补偿装置保证交流负载的电压质量；

电网失电、电能路由器孤岛运行时，由分布式电源和储能接口维持直流储能电容器C上的直流电压，一方面保证直流负载供电；另一方面，串联补偿装置利用分布式电源和储能保证交流负载的不间断供电。

本发明的低压电能路由器拓扑，综合了串联补偿装置和并联补偿装置的优点，既可解决电源端的供电质量问题，如谐波、过压、欠压、跌落、突升等，为重要用户提供优质电能；也可解决负载端的用电质量问题，如电流谐波、无功等，是一种综合电能质量控制装置。串联补偿装置仅补偿交流负载所需的电源电压与额定负载电压之差即缺损电压，属部分逆变或补偿工作方式，比负载电压全逆变方式具有更高的效率。特别是，当电源电压质量符合要求不需要补偿时，对串联补偿装置旁路，可以最大程度提高交流电能变换的效率。这是串联补偿装置的两个重要优点，也是与双PWM电路的最大不同。

利用共用直流母线，采用三个桥臂换流器包括电源端并联交流负载端串联方式和电源端串联交流负载端并联方式，直流储能电容器C两端设置有分布式电源和储能接口、直流负载供电接口，除能实现常规的交流电源侧与交流负载侧电能质量控制、能量双向流动功能外，还能为分布式电源和储能提供接口、对直流负载和交流负载供电，该电路完全能满足低压电能路由器的基本功能要求。

基于三个桥臂换流器的电能路由器结构简单，电能变换次数少、效率高；并且电路结构中不含变压器，能大大减少电能路由器的体积和重量，也便于模块化、集成化。

【附图说明】

图1三级式SST典型结构

图2单相双PWM电路

图3本发明电路拓扑1(电源端并联结构)结构示意图

图4本发明电路拓扑2(电源端串联结构)结构示意图

图5单相低压电能路由器拓扑1(电源端并联结构)

图6单相低压电能路由器拓扑2(电源端串联结构)

图7单相低压电能路由器系统应用示意图(电源端并联结构)

图8单相低压电能路由器的并联(电源端并联结构)

图9三相四线制低压电能路由器拓扑(电源端并联结构)

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明做进一步说明。

与采用单相双PWM电路构成的低压电能路由器不同，本发明的单相低压电能路由器基本拓扑采用三个桥臂换流器构成，有两种形式：电源端并联交流负载端串联结构，简称电源端并联结构或电路拓扑1和电源端串联交流负载端并联结构，简称电源端串联结构或电路拓扑2。

电源端并联交流负载端串联连接的电路拓扑1如图3所示，电路由电力电子开关器件(如IGBT，内含反并联二极管)V1、V2、V3、V4、V5和V6组成。V1和V2构成桥臂1；V3和V4构成桥臂2；V5和V6构成桥臂3。图3中，V_s为交流电网电源；Z_L交流负载；L_f1为交流进线滤波电感，也可采用LCL滤波器结构；C_f和L_f2为交流输出的滤波电容和电感；C为直流储能电容器；K为旁路开关，可由接触器和电力电子双向开关如双向晶闸管组成。其中，桥臂1和桥臂2构成一个并联补偿装置，桥臂2和桥臂3构成一个串联补偿装置，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C。

电源端串联交流负载端并联连接的电路拓扑2如图4所示。图中，桥臂1和桥臂2构成一个串联补偿装置，桥臂2和桥臂3构成一个并联补偿装置，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C；电容C_f和电感L_f2为串联补偿装置的交流输出滤波；电感L_f1为并联补偿装置的交流输入滤波，也可采用LCL滤波结构。

与目前能源互联网中电能路由器研究广泛采用的三级式SST方案相比，除不能电气隔离外，基于三个桥臂换流器构建的电能路由器能实现SST构建电能路由器的所有功能，包括电网侧和交流负载侧的电能质量控制、能量双向流动、交直流混合供电、不间断供电、分布式能源与储能装置的接入、故障隔离等。并且，三个桥臂换流器中的串联补偿装置为部分逆变(补偿)+旁路工作方式，与采用双PWM变换器构成电能路由器相比效率高。分布式电源可以包括太阳能光伏发电、风能发电及燃料电池等，分布式电源与直流母线的连接可以采用隔离方式或非隔离方式。储能可以采用蓄电池和超级电容器等混合储能，利用双向DC/DC变换器与直流母线连接，实现充电、放电及能量管理。利用储能，可以进一步稳定直流母线电压，提高装置的补偿性能，确保本地电网和负载的电能质量；还可以在本地电网停电、分布式电源不足的情况下，保障重要负荷的不间断运行。这样，该系统不但减轻了本地电网负荷，对本地负荷用电起到削峰填谷的作用，同时也解决了太阳能、风能等分布式电源随机性大、应用难的问题。

所提出的低压电能路由器拓扑与图1所示基于SST的电能路由器拓扑相比，大大减少了电力电子器件数和能量变换次数，也特别适合电网电能质量比较差的场合。

一种单相电能路由器系统应用的示意图如图7所示，系统中有交流负载外，直流母线上可接入分布式新能源、储能和直流负载如电动汽车等。

电能路由器的并联运行，不仅能扩大装置容量，还能实现装置冗余，提高其灵活性和可靠性。基于三个桥臂换流器的电能路由器不含变压器，更容易使装置模块化、集成化、大功率化。图8所示为图3所示基于三个桥臂换流器电源端并联结构的两个单相电能路由器并联连接示意图。每个电能路由器含一个直流母线，可以将分布式能源和直流负载分别接入每个功率模块，也能提高直流系统的可靠性。类似地，两个基于三个桥臂换流器电源端串联结构的单相电能路由器也能组成两个或多个并联结构。

上述三个单相电能路由器拓扑就可构成一个三相四线制电能路由器系统，满足单相和三相交流供电需求，扩大装置容量，也可为分布式电源、直流储能和直流负载提供多个直流接口。图9是按图3所示的基本单相低压电能路由器拓扑电源端并联结构组成的一种三相四线制电能路由器系统示意图。类似地，按图4也可以构成相应的三相四线制电能路由器系统。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种低压电能路由器拓扑，其特征在于：低压电能路由器采用三个桥臂换流器结构，包括6个电力电子开关器件V1、V2、V3、V4、V5和V6，电力电子开关器件V1和V2构成桥臂1，电力电子开关器件V3和V4构成桥臂2，电力电子开关器件V5和V6构成桥臂3，每个电力电子开关器件均反并联有二极管，低压电能路由器拓扑结构分为电源端并联交流负载端串联结构和电源端串联交流负载端并联结构；

电源端并联交流负载端串联结构中桥臂1和桥臂2构成并联补偿装置，直流储能电容器C并联在桥臂1和桥臂2之间构成直流母线，桥臂2和桥臂3构成串联补偿装置，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C，交流进线滤波电感L_f1连接在交流电网电源V_s和桥臂1之间，交流输出滤波电容C_f和电感L_f2串联后连接在桥臂2和桥臂3之间，旁路开关K与交流输出滤波电容C_f并联后连接在桥臂2和桥臂3之间；

电源端串联交流负载端并联结构中桥臂1和桥臂2构成串联补偿装置，桥臂2和桥臂3构成并联补偿装置，直流储能电容器C并联在桥臂2和桥臂3之间直流母线，两个补偿装置共用桥臂2和直流储能电容器C，交流进线滤波电感L_f1连接在交流电网电源V_s和桥臂3之间，交流输出滤波电容C_f和电感L_f2串联后连接在桥臂1和桥臂2之间，旁路开关K与交流输出滤波电容C_f并联后连接在桥臂1和桥臂2之间；

直流储能电容器C两端设置有分布式电源和储能接口、直流负载供电接口。

2.根据权利要求1所述的低压电能路由器拓扑，其特征在于：旁路开关K由接触器和电力电子双向开关组成。

3.根据权利要求1所述的低压电能路由器拓扑，其特征在于：旁路开关K由接触器和双向晶闸管组成。

4.根据权利要求1-3任一项所述的低压电能路由器拓扑，其特征在于：交流进线滤波电感L_f1采用LCL滤波器结构。

5.根据权利要求1-3任一项所述的低压电能路由器拓扑，其特征在于：分布式电源和储能接口与直流母线的采用隔离方式或非隔离方式连接。

6.一种权利要求1低压电能路由器的控制方法，其特征在于：电网供电时，由并联补偿装置维持直流储能电容器C上的直流电压，为直流负载供电，并保证入网电流的电能质量和并网发电，串联补偿装置保证交流负载的电压质量；

电网失电、电能路由器孤岛运行时，由分布式电源和储能接口维持直流储能电容器C上的直流电压，一方面保证直流负载供电；另一方面，串联补偿装置利用分布式电源和储能保证交流负载的不间断供电。