CN108242813A - 电能质量综合治理和功率优化的能量路由器及其控制方法 - Google Patents

电能质量综合治理和功率优化的能量路由器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，包括串联变压器、网侧隔离变换器、负载侧变换器、功能切换开关Si和集中控制器。本发明提供了一种将统一电能质量控制器和功率优化功能集成于一体的新型低压能量路由器及其控制方法，通过设置在智能配电网的网侧高压交流母线和负载侧低压交流母线之间的新型低压能量路由器实现，该控制方法根据检测单元提供的采样信号，判断故障情况，进行功能选择，生成控制指令并进行控制,以最小的硬件成本，实现了电能质量综合治理和功率优化功能，广泛应用于工厂、企业、家庭和学校等场所。

Description

电能质量综合治理和功率优化的能量路由器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种将统一电能质量控制器(UPQC，Universal Power Quality Controller)和能量路由器功能集成于一体的用于智能配电网电能质量综合治理和功率优化的新型低压能量路由器及其控制方法。
背景技术
为了满足用户对供电可靠性、电能质量的要求，满足分布式电源的大规模应用，传统配电网的功能亟待改善，智能配电网是坚强智能电网的基石，坚强在特高压，智能在配电网。
统一电能质量控制器将串联变流器和并联变流器通过公用直流母线进行连接，同时解决供电系统的电压电能质量问题和负载产生的电流质量问题。其中，串联变流器解决电网侧电压的跌落、谐波等电压电能质量问题，并联变流器解决负载谐波和无功电流等电流质量问题，两者可独立运行，也可协同运行。
能量路由器是智能配电网的关键设备，具有电压变换、能量双向流动，为分布式电源提供与电网和负载进行能量交换的接口，实现能量管理和潮流控制等功能。能量路由器作为一种电力电子装置目前各国正处于理论研究和样机试制阶段，尚无成熟产品推广应用。
智能配电网中电能质量综合治理和能量路由器的应用需求是同时存在的，但目前大部分研究都将统一电能质量控制器和能量路由器作为单独的电力电子装置进行研究。若将统一电能质量控制器和能量路由器的功能集成在一套电力电子装置中，将极大节省场地投资和硬件成本。
发明内容
本发明提供了一种将统一电能质量控制器和功率优化功能集成于一体的新型低压能量路由器及其控制方法。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：
电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，包括串联变压器、网侧隔离变换器、负载侧变换器、功能切换开关Si和集中控制器；
所述的串联变压器的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线与负载侧低压交流母线之间；
所述的网侧隔离变换器通过低压直流母线与负载侧变换器连接，且低压直流母线通过储能系统连接至分布式电源；
所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S1、串联变压器切换开关S2、网侧串联切换开关S3、网侧并联切换开关S4、负载侧并联切换开关S5和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S1连接于智能配电网的网侧高压交流母线与公共连接点PCC之间，公共连接点PCC(Point of Common Coupling)即串联变压器的原边网侧连接端，串联变压器切换开关S2与串联变压器的原边并联，用于控制串联变压器接入或切出智能配电网，网侧串联切换开关S3连接于串联变压器的副边与网侧隔离变换器之间，网侧并联切换开关S4连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器之间，负载侧并联切换开关S5连接于负载侧变换器与负载侧低压交流母线之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间，用于将串联变压器原边接入线路；
所述的集中控制器包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线的电压、电流，负载侧低压交流母线的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式，以最小硬件成本，实现新型低压能量路由器的电能质量综合治理和功率优化的功能；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器的控制指令和负载侧变换器的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器和负载侧变换器功率开关管的驱动脉冲信号。
所述的网侧隔离变换器具有三相输入端和一路低压直流母线输出端，网侧隔离变换器由多个隔离变换子模块组成，且三相的隔离变换子模块数量相同；
所述的每个隔离变换子模块均有输入侧首端和输入侧尾端、输出侧首端和输出侧尾端，且各相中的第一个隔离变换子模块的输入侧首端引出端子作为三相输入端，最后一个隔离变换子模块的输入侧尾端相间星型连接；同相内的下一个隔离变换子模块的输入侧首端连接至其相邻的上一隔离变换子模块的输入侧尾端，即相邻的两个隔离变换子模块输入侧的首尾顺次相连；三相所有隔离变换子模块的输出侧首端相连作为低压直流母线输出侧首端，隔离变换子模块的输出侧尾端相连作为低压直流母线输出侧尾端。
所述的隔离变换子模块包括交-直变换器和双向DC-DC变换器，交-直变换器和双向DC-DC变换器通过直流母线连接，其中，交-直变换器由一组全控型H桥组成，双向DC-DC变换器由两组全控型H桥、谐振电感、谐振电容和高频变压器组成；
所述的交-直变换器的第一功率开关管和第二功率开关管串联组成第一桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧首端，第三功率开关管和第四功率开关管串联组成第二桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧尾端；第一功率开关管和第三功率开关管的顶端连在一起与电容的正极相连，第二功率开关管和第四功率开关管的尾端连在一起与电容的负极相连；
所述的双向DC-DC变换器的第五功率开关管和第六功率开关管串联组成第三桥臂，第七功率开关管和第八功率开关管串联组成第四桥臂，第五功率开关管和第七功率开关管的顶端连在一起与第一电容的正极相连，第六功率开关管和第八功率开关管的尾端连在一起与第一电容的负极相连，第三桥臂和第四桥臂的中点引出线分别通过谐振电感和谐振电容与高频变压器的原边连接；第九功率开关管和第十功率开关管串联组成第五桥臂，第十一功率开关管和第十二功率开关管串联组成第六桥臂，第五桥臂和第六桥臂的中点引出线直接与高频变压器的副边连接，第九功率开关管和第十一功率开关管的顶端连在一起与第三电容的正极相连，并引出端子作为输出侧首端，第十功率开关管和第十二功率开关管的尾端连在一起与第三电容的负极相连，并引出端子作为输出侧尾端。
所述的负载侧变换器为一个或多个与网侧隔离变换器共用低压直流母线的三相逆变器组成，负载侧变换器为三相全控半桥结构，第一功率开关管和第二功率开关管串联组成第七桥臂，第三功率开关管和第四功率开关管串联组成第八桥臂，第五功率开关管和第六功率开关管串联组成第九桥臂，第七桥臂、第八桥臂和第九桥臂的中点引出端子作为三相输出端，第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的顶端连在一起与第一电容的正极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧首端，第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的尾端连在一起与第一电容的负极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧尾端。
所述的能量路由器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、检测单元对智能配电网的网侧高压交流母线的电压、电流，负载侧低压交流母线的电压、电流进行检测；
步骤2、故障判断单元判断智能配电网与能量路由器是否出现故障，且功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式：
(1)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择电能质量综合治理功能F1时，则进入步骤3；
(2)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2时，则进入步骤4；
(3)若能量路由器正常，且智能配电网故障，功能选择单元选择不间断电源UPS功能F3，则进入步骤5；
(4)若能量路由器故障，且智能配电网正常，功能选择单元选择市电供电功能F4；
(5)若能量路由器故障，且智能配电网故障，功能选择单元选择电源切出功能F5；
步骤3、进入外环控制单元，生成补偿电压指令，使网侧隔离变换器实现动态电压恢复器的功能；生成补偿电流指令，使负载侧变换器实现有源滤波器的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器的输出电压控制和负载侧变换器的输出电流控制，分别生成网侧隔离变换器和负载侧变换器功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤4、进入外环控制单元，生成有功功率和无功功率控制指令，使网侧隔离变换器实现有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能，负载侧变换器实现有功能量单向流动的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器的有功功率和无功功率控制，负载侧变换器的有功功率控制，分别生成网侧隔离变换器和负载侧变换器功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤5、进入外环控制单元，生成电压控制指令，使负载侧变换器输出稳定的三相380VAC/50Hz电源；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，实现负载侧变换器的输出电压控制，分别生成网侧隔离变换器和负载侧变换器功率开关管的驱动脉冲信号。
所述的电能质量综合治理功能F1具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝1、S4＝0、S5＝1、S6＝1，此时的能量路由器相当于统一电能质量控制器；
所述的有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝0、S4＝1、S5＝1、S6＝0，基本工作原理为：分布式电源储存于储能系统中，储能系统通过能量路由器的低压直流母线→网侧隔离变换器→网侧并联切换开关S4与公共连接点PCC相连，实现与智能配电网的能量交互；另外，分布式电源还通过储能系统→低压直流母线→负载侧变换器→负载侧并联切换开关S5为负载提供电能，图中虚线表示分布式电源向智能配电网和负载输出电能，实线表示智能配电网向储能系统和负载输送电能；同时，该能量路由器可为智能配电网提供超前或滞后的无功补偿；
所述的不间断电源UPS功能F3具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝1、S6＝0，当智能配电网故障时，切断故障电网供电，分布式电源通过储能系统→低压直流母线→负载侧变换器→负载侧并联切换开关S5为敏感负荷供电，图中虚线表示电能输出方向；
所述的市电供电功能F4：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝1、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0，可在能量路由器故障时，将其剥离智能配电网，以免对电网造成不良影响，图中实线表示电能输出方向；
所述的电源切出功能F5：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0，可在智能配电网和能量路由器同时故障时，将智能配电网和分布式电源与负荷分离，以免对负荷造成不良影响。
设功能切换开关Si(i＝1,2,3,4,5,6)闭合时，Si＝1；断开时，Si＝0。调整功能切换开关Si的组合，本新型低压能量路由器可实现不同功能Fj(j＝1,2,3,4,5)，如表1所示。
表1功能切换开关组合表
功能Fj S1 S2 S3 S4 S5 S6
F1 1 0 1 0 1 1
F2 1 0 0 1 1 0
F3 0 0 0 0 1 0
F4 1 1 0 0 0 0
F5 0 0 0 0 0 0
本发明提供了一种将统一电能质量控制器和功率优化功能集成于一体的新型低压能量路由器及其控制方法，通过设置在智能配电网的网侧高压交流母线和负载侧低压交流母线之间的新型低压能量路由器实现，该控制方法根据检测单元提供的采样信号，判断故障情况，进行功能选择，生成控制指令并进行控制,以最小的硬件成本，实现了电能质量综合治理和功率优化功能，广泛应用于工厂、企业、家庭和学校等场所。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)当发生电网电压电能质量问题和负载电流质量问题时，通过选择统一电能质量控制器功能，可实现电能质量综合治理，满足用户高品质供电需求。
(2)能量路由器同时具备高压交流母线端口、低压直流母线端口和低压交流母线端口，可实现能量双向流动，为电网提供超前或滞后的无功补偿，为分布式电源与电网和负载的能量交互提供统一接口，为智能配电网进行功率优化提供了基础。
(3)在智能配电网应用中，与单独配置UPQC和低压能量路由器的方案相比，本发明以最小的硬件成本，搭建电能质量综合治理和能量路由器的通用硬件平台，极大的节约场地和硬件投资。
(4)根据智能配电网、分布式电源和负载运行实际工况的需要，本发明通过不同功能选择开关的组合，采用不同控制方法，响应不同功能需求，实现不同功能之间的切换，使用灵活方便。
(5)网侧隔离变换器的隔离变换子模块实现标准化、模块化，功率单元可随时更换，运维省时、方便。
附图说明
图1为本发明的主接线示意图；
图2为本发明的电能质量综合治理功能F1示意图；
图3为本发明的有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2示意图；
图4为本发明的不间断电源UPS功能F3示意图；
图5为本发明的市电供电功能F4示意图；
图6为本发明的串联变压器的拓扑结构示意图；
图7为本发明的电源切换开关的拓扑结构示意图；
图8为本发明的网侧串联切换开关的拓扑结构示意图；
图9为本发明的网侧并联切换开关的拓扑结构示意图；
图10为本发明的负载侧并联切换开关的拓扑结构示意图；
图11为本发明的网侧隔离变换器的拓扑结构图；
图12为本发明的隔离变换子模块的拓扑结构图；
图13为本发明的负载侧变换器的拓扑结构图；
图14为本发明的主接线图；
图15为本发明的控制方法流程图；
图16为本发明的控制方法中步骤3的流程示意图；
图17为本发明的控制方法中步骤4的流程示意图；
图18为本发明的控制方法中步骤5的流程示意图。
其中，1-智能配电网的网侧高压交流母线；2-电源切换开关；3-串联变压器切换开关；4-串联变压器；5-网侧串联切换开关；6-网侧并联切换开关；7-网侧隔离变换器；8-隔离变换子模块；9-负载侧变换器；10-低压直流母线；11-负载侧并联切换开关；12-集中控制器；13-负载侧低压交流母线；L81-谐振电感；C82-谐振电容；T81-高频变压器；S801—S812、S91—S96-带反并联二极管的功率开关管。
具体实施方式
如图1、图6所示，电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，包括串联变压器4、网侧隔离变换器7、负载侧变换器9、功能切换开关Si和集中控制器12；
所述的串联变压器4的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线1与负载侧低压交流母线13之间；
所述的网侧隔离变换器7通过低压直流母线10与负载侧变换器9连接，且低压直流母线10通过储能系统连接至分布式电源；
如图7—图10所示，所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S12、串联变压器切换开关S23、网侧串联切换开关S35、网侧并联切换开关S46、负载侧并联切换开关S511和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S12连接于智能配电网的网侧高压交流母线1与公共连接点PCC之间，公共连接点PCC(Point of Common Coupling)即串联变压器4的原边网侧连接端，串联变压器切换开关S23与串联变压器4的原边并联，用于控制串联变压器4接入或切出智能配电网，网侧串联切换开关S35连接于串联变压器4的副边与网侧隔离变换器7之间，网侧并联切换开关S46连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器7之间，负载侧并联切换开关S511连接于负载侧变换器9与负载侧低压交流母线13之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间，用于将串联变压器原边接入线路；
所述的集中控制器12包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线1的电压、电流，负载侧低压交流母线13的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式，以最小硬件成本，实现新型低压能量路由器的电能质量综合治理和功率优化的功能；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器7的控制指令和负载侧变换器9的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器7和负载侧变换器9功率开关管的驱动脉冲信号。
如图11所示，所述的网侧隔离变换器7具有三相输入端u3、v3、w3和一路低压直流母线输出端p1、n1，网侧隔离变换器7由多个隔离变换子模块8组成，且三相的隔离变换子模块8数量相同；
所述的每个隔离变换子模块8均有输入侧首端a1和输入侧尾端a2、输出侧首端b1和输出侧尾端b2，且各相中的第一个隔离变换子模块8的输入侧首端a1引出端子作为三相输入端u3、v3、w3，最后一个隔离变换子模块8的输入侧尾端a2相间星型连接；同相内的下一个隔离变换子模块8的输入侧首端a1连接至其相邻的上一隔离变换子模块8的输入侧尾端a2，即相邻的两个隔离变换子模块8输入侧的首尾顺次相连：第1个隔离变换子模块8的输入侧尾端a2与第2个隔离变换子模块8的输入侧首端a1相连，第2个隔离变换子模块8的输入侧尾端a2与第3个隔离变换子模块8的输入侧首端a1相连，以此类推，第N-1个隔离变换子模块8的输入侧尾端a2与第N个隔离变换子模块8的输入侧首端a1相连；三相所有隔离变换子模块8的输出侧首端b1相连作为低压直流母线输出侧首端p1，隔离变换子模块8的输出侧尾端b2相连作为低压直流母线输出侧尾端n1。
如图12所示，所述的隔离变换子模块8包括交-直变换器和双向DC-DC变换器，交-直变换器和双向DC-DC变换器通过直流母线连接，其中，交-直变换器由一组全控型H桥组成，双向DC-DC变换器由两组全控型H桥、谐振电感L81、谐振电容C82和高频变压器T81组成；
所述的交-直变换器的第一功率开关管S801和第二功率开关管S802串联组成第一桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧首端a1，第三功率开关管S803和第四功率开关管S804串联组成第二桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧尾端a2；第一功率开关管S801和第三功率开关管S803的顶端连在一起与电容C81的正极相连，第二功率开关管S802和第四功率开关管S804的尾端连在一起与电容C81的负极相连；
所述的双向DC-DC变换器的第五功率开关管S805和第六功率开关管S806串联组成第三桥臂，第七功率开关管S807和第八功率开关管S808串联组成第四桥臂，第五功率开关管S805和第七功率开关管S807的顶端连在一起与第一电容C81的正极相连，第六功率开关管S806和第八功率开关管S808的尾端连在一起与第一电容C81的负极相连，第三桥臂和第四桥臂的中点引出线分别通过谐振电感L81和谐振电容C82与高频变压器T81的原边连接；第九功率开关管S809和第十功率开关管S810串联组成第五桥臂，第十一功率开关管S811和第十二功率开关管S812串联组成第六桥臂，第五桥臂和第六桥臂的中点引出线直接与高频变压器T81的副边连接，第九功率开关管S809和第十一功率开关管S811的顶端连在一起与第三电容C83的正极相连，并引出端子作为输出侧首端b1，第十功率开关管S810和第十二功率开关管S812的尾端连在一起与第三电容C83的负极相连，并引出端子作为输出侧尾端b2。
如图13所示，所述的负载侧变换器9为一个或多个与网侧隔离变换器7共用低压直流母线10的三相逆变器组成，负载侧变换器9为三相全控半桥结构，第一功率开关管S91和第二功率开关管S92串联组成第七桥臂，第三功率开关管S93和第四功率开关管S94串联组成第八桥臂，第五功率开关管S95和第六功率开关管S96串联组成第九桥臂，第七桥臂、第八桥臂和第九桥臂的中点引出端子作为三相输出端u4、v4、w4，第一功率开关管S91、第三功率开关管S93和第五功率开关管S95的顶端连在一起与第一电容C91的正极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧首端p2，第二功率开关管S92、第四功率开关管S94和第六功率开关管S96的尾端连在一起与第一电容C91的负极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧尾端n2。
如图14所示，电源切换开关S12连接于智能配电网的网侧高压交流母线1与公共连接点PCC之间，串联变压器4的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线1与负载侧低压交流母线13之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间，用于将串联变压器原边接入线路，串联变压器切换开关S23与串联变压器4的原边并联，用于控制串联变压器4接入或切出智能配电网，网侧隔离变换器7通过网侧串联切换开关S35与串联变压器4的副边连接。具体的，网侧隔离变换器7的三相输入端u3、v3、w3分别与网侧串联切换开关S35的端子t7、t8、t9连接，网侧串联切换开关S35的端子t4、t5、t6分别与串联变压器4的副边端子t1、t2、t3连接。
网侧隔离变换器7通过网侧并联切换开关S46与公共连接点PCC连接。具体的，网侧隔离变换器7的的三相输入端u3、v3、w3分别与网侧并联切换开关S46的端子u2、v2、w2连接，网侧并联切换开关S46的端子u1、v1、w1分别与公共连接点PCC连接。
网侧隔离变换器7通过低压直流母线10与负载侧变换器9连接。具体的，网侧隔离变换器7的输出侧端子p1、n1分别与负载侧变换器9的输入侧端子p2、n2连接。
负载侧变换器9通过负载侧并联切换开关S511与负载侧低压交流母线13连接。具体的，负载侧变换器9的输出侧端子u4、v4、w4分别与负载侧并联切换开关S511的端子r4、r5、r6连接，负载侧并联切换开关S511的端子r1、r2、r3分别与负载侧低压交流母线13连接。
如图15所示，所述的能量路由器的控制方法，包括如下步骤：
步骤1、检测单元对智能配电网的网侧高压交流母线1的电压、电流，负载侧低压交流母线13的电压、电流进行检测；
步骤2、故障判断单元判断智能配电网与能量路由器是否出现故障，且功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式：
(1)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择电能质量综合治理功能F1时，则进入步骤3；
(2)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2时，则进入步骤4；
(3)若能量路由器正常，且智能配电网故障，功能选择单元选择不间断电源UPS功能F3，则进入步骤5；
(4)若能量路由器故障，且智能配电网正常，功能选择单元选择市电供电功能F4；
(5)若能量路由器故障，且智能配电网故障，功能选择单元选择电源切出功能F5；
步骤3、如图16所示，进入外环控制单元，生成补偿电压指令，使网侧隔离变换器7实现动态电压恢复器的功能；生成补偿电流指令，使负载侧变换器9实现有源滤波器的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器7的输出电压控制和负载侧变换器9的输出电流控制，分别生成网侧隔离变换器7和负载侧变换器9功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤4、如图17所示，进入外环控制单元，生成有功功率和无功功率控制指令，使网侧隔离变换器7实现有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能，负载侧变换器9实现有功能量单向流动的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器7的有功功率和无功功率控制，负载侧变换器9的有功功率控制，分别生成网侧隔离变换器7和负载侧变换器9功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤5、如图18所示，进入外环控制单元，生成电压控制指令，使负载侧变换器9输出稳定的三相380VAC/50Hz电源；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，实现负载侧变换器9的输出电压控制，分别生成网侧隔离变换器7和负载侧变换器9功率开关管的驱动脉冲信号。
如图2所示，所述的电能质量综合治理功能F1具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝1、S4＝0、S5＝1、S6＝1，此时的能量路由器相当于统一电能质量控制器；
如图3所示，所述的有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝0、S4＝1、S5＝1、S6＝0，基本工作原理为：分布式电源储存于储能系统中，储能系统通过能量路由器的低压直流母线10→网侧隔离变换器7→网侧并联切换开关S46与公共连接点PCC相连，实现与智能配电网的能量交互；另外，分布式电源还通过储能系统→低压直流母线10→负载侧变换器9→负载侧并联切换开关S511为负载提供电能，图中虚线表示分布式电源向智能配电网和负载输出电能，实线表示智能配电网向储能系统和负载输送电能；同时，该能量路由器可为智能配电网提供超前或滞后的无功补偿；
如图4所示，所述的不间断电源UPS功能F3具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝1、S6＝0，当智能配电网故障时，切断故障电网供电，分布式电源通过储能系统→低压直流母线10→负载侧变换器9→负载侧并联切换开关S511为敏感负荷供电，图中虚线表示电能输出方向；
如图5所示，所述的市电供电功能F4：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝1、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0，可在能量路由器故障时，将其剥离智能配电网，以免对电网造成不良影响，图中实线表示电能输出方向；
如图1所示，所述的电源切出功能F5：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0，可在智能配电网和能量路由器同时故障时，将智能配电网和分布式电源与负荷分离，以免对负荷造成不良影响。
设功能切换开关Si(i＝1,2,3,4,5,6)闭合时，Si＝1；断开时，Si＝0。调整功能切换开关Si的组合，本新型低压能量路由器可实现不同功能Fj(j＝1,2,3,4,5)，如表1所示。
表1功能切换开关组合表
功能Fj S1 S2 S3 S4 S5 S6
F1 1 0 1 0 1 1
F2 1 0 0 1 1 0
F3 0 0 0 0 1 0
F4 1 1 0 0 0 0
F5 0 0 0 0 0 0

Claims (6)

1.电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：包括串联变压器(4)、网侧隔离变换器(7)、负载侧变换器(9)、功能切换开关Si和集中控制器(12)；
所述的串联变压器(4)的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与负载侧低压交流母线(13)之间；
所述的网侧隔离变换器(7)通过低压直流母线(10)与负载侧变换器(9)连接，且低压直流母线(10)通过储能系统连接至分布式电源；
所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S1(2)、串联变压器切换开关S2(3)、网侧串联切换开关S3(5)、网侧并联切换开关S4(6)、负载侧并联切换开关S5(11)和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S1(2)连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与公共连接点PCC之间，串联变压器切换开关S2(3)与串联变压器(4)的原边并联，网侧串联切换开关S3(5)连接于串联变压器(4)的副边与网侧隔离变换器(7)之间，网侧并联切换开关S4(6)连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器(7)之间，负载侧并联切换开关S5(11)连接于负载侧变换器(9)与负载侧低压交流母线(13)之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间；
所述的集中控制器(12)包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线(1)的电压、电流，负载侧低压交流母线(13)的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器(7)的控制指令和负载侧变换器(9)的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号。
2.根据权利要求1所述的电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：所述的网侧隔离变换器(7)具有三相输入端(u3、v3、w3)和一路低压直流母线输出端(p1、n1)，网侧隔离变换器(7)由多个隔离变换子模块(8)组成，且三相的隔离变换子模块(8)数量相同；
所述的每个隔离变换子模块(8)均有输入侧首端(a1)和输入侧尾端(a2)、输出侧首端(b1)和输出侧尾端(b2)，且各相中的第一个隔离变换子模块(8)的输入侧首端(a1)引出端子作为三相输入端(u3、v3、w3)，最后一个隔离变换子模块(8)的输入侧尾端(a2)相间星型连接；同相内的下一个隔离变换子模块(8)的输入侧首端(a1)连接至其相邻的上一隔离变换子模块(8)的输入侧尾端(a2)；三相所有隔离变换子模块(8)的输出侧首端(b1)相连作为低压直流母线输出侧首端(p1)，隔离变换子模块(8)的输出侧尾端(b2)相连作为低压直流母线输出侧尾端(n1)。
3.根据权利要求2所述的电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：所述的隔离变换子模块(8)包括交-直变换器和双向DC-DC变换器，交-直变换器和双向DC-DC变换器通过直流母线连接，其中，交-直变换器由一组全控型H桥组成，双向DC-DC变换器由两组全控型H桥、谐振电感(L81)、谐振电容(C82)和高频变压器(T81)组成；
所述的交-直变换器的第一功率开关管(S801)和第二功率开关管(S802)串联组成第一桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧首端(a1)，第三功率开关管(S803)和第四功率开关管(S804)串联组成第二桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧尾端(a2)；第一功率开关管(S801)和第三功率开关管(S803)的顶端连在一起与电容(C81)的正极相连，第二功率开关管(S802)和第四功率开关管(S804)的尾端连在一起与电容(C81)的负极相连；
所述的双向DC-DC变换器的第五功率开关管(S805)和第六功率开关管(S806)串联组成第三桥臂，第七功率开关管(S807)和第八功率开关管(S808)串联组成第四桥臂，第五功率开关管(S805)和第七功率开关管(S807)的顶端连在一起与第一电容(C81)的正极相连，第六功率开关管(S806)和第八功率开关管(S808)的尾端连在一起与第一电容(C81)的负极相连，第三桥臂和第四桥臂的中点引出线分别通过谐振电感(L81)和谐振电容(C82)与高频变压器(T81)的原边连接；第九功率开关管(S809)和第十功率开关管(S810)串联组成第五桥臂，第十一功率开关管(S811)和第十二功率开关管(S812)串联组成第六桥臂，第五桥臂和第六桥臂的中点引出线直接与高频变压器(T81)的副边连接，第九功率开关管(S809)和第十一功率开关管(S811)的顶端连在一起与第三电容(C83)的正极相连，并引出端子作为输出侧首端(b1)，第十功率开关管(S810)和第十二功率开关管(S812)的尾端连在一起与第三电容(C83)的负极相连，并引出端子作为输出侧尾端(b2)。
4.根据权利要求1或2或3所述的电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：所述的负载侧变换器(9)为一个或多个与网侧隔离变换器(7)共用低压直流母线(10)的三相逆变器组成，负载侧变换器(9)为三相全控半桥结构，第一功率开关管(S91)和第二功率开关管(S92)串联组成第七桥臂，第三功率开关管(S93)和第四功率开关管(S94)串联组成第八桥臂，第五功率开关管(S95)和第六功率开关管(S96)串联组成第九桥臂，第七桥臂、第八桥臂和第九桥臂的中点引出端子作为三相输出端(u4、v4、w4)，第一功率开关管(S91)、第三功率开关管(S93)和第五功率开关管(S95)的顶端连在一起与第一电容(C91)的正极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧首端(p2)，第二功率开关管(S92)、第四功率开关管(S94)和第六功率开关管(S96)的尾端连在一起与第一电容(C91)的负极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧尾端(n2)。
5.根据权利要求4所述的能量路由器的控制方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、检测单元对智能配电网的网侧高压交流母线(1)的电压、电流，负载侧低压交流母线(13)的电压、电流进行检测；
步骤2、故障判断单元判断智能配电网与能量路由器是否出现故障，且功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式：
(1)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择电能质量综合治理功能F1时，则进入步骤3；
(2)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2时，则进入步骤4；
(3)若能量路由器正常，且智能配电网故障，功能选择单元选择不间断电源UPS功能F3，则进入步骤5；
(4)若能量路由器故障，且智能配电网正常，功能选择单元选择市电供电功能F4；
(5)若能量路由器故障，且智能配电网故障，功能选择单元选择电源切出功能F5；
步骤3、进入外环控制单元，生成补偿电压指令，使网侧隔离变换器(7)实现动态电压恢复器的功能；生成补偿电流指令，使负载侧变换器(9)实现有源滤波器的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器(7)的输出电压控制和负载侧变换器(9)的输出电流控制，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤4、进入外环控制单元，生成有功功率和无功功率控制指令，使网侧隔离变换器(7)实现有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能，负载侧变换器(9)实现有功能量单向流动的功能；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别实现网侧隔离变换器(7)的有功功率和无功功率控制，负载侧变换器(9)的有功功率控制，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号；
步骤5、进入外环控制单元，生成电压控制指令，使负载侧变换器(9)输出稳定的三相380VAC/50Hz电源；
内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，实现负载侧变换器(9)的输出电压控制，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号。
6.根据权利要求5所述的能量路由器的控制方法，其特征在于：
所述的电能质量综合治理功能F1具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝1、S4＝0、S5＝1、S6＝1；
所述的有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝0、S3＝0、S4＝1、S5＝1、S6＝0；
所述的不间断电源UPS功能F3具体为：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝1、S6＝0；
所述的市电供电功能F4：控制功能切换开关Si，使S1＝1、S2＝1、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0；
所述的电源切出功能F5：控制功能切换开关Si，使S1＝0、S2＝0、S3＝0、S4＝0、S5＝0、S6＝0。
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