CN108494229B - 一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法。包括：双向变换器、输出模块以及交直流通用接口；双向变换器包括第一直流电容、第二直流电容以及多电平拓扑；第一直流电容的正极与正母线相连接，第一直流电容的负极与第二直流电容的正极相连接，第二直流电容的负极与负母线相连接，第一直流电容和第二直流电容之间设有中性点；多电平拓扑的一端与中性点相连接，多电平拓扑的另一端与输出模块的一端相连接；输出模块的另一端与交直流通用接口相连接。采用本发明所提供的路由器拓扑，能够实现不同功率等级的电能传输，提高工作效率；当直流电压发生极间不平衡时，本发明所提供的路由器拓扑具有极间平衡的能力。

Description

一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法

技术领域

本发明涉及电气自动化设备领域，特别是涉及一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法。

背景技术

在现有的技术中，电力路由器的端口类型单一，实现多类型端口需要扩充端口数，增加了系统成本；同时，基于电压变换与故障隔离的原因，目前的双向直流变换器拓扑多包括高频变压器，这相比于无变压器的变换器多出了变压器成本，并降低了系统效率。

现有技术提供了一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构，该拓扑结构利用多个H桥型整流单元、H桥型逆变单元和中高频变压器实现电能的变换与传输，提供独立的直流端口和交流端口；多端口变换器的直流住宅用能量路由器拓扑及控制方法，该路由器拓扑结构采用双向buck/boost模块、H桥模块与中高频变压器，提供独立的直流端口和交流端口。

上述现有技术均采用了扩充端口数量的方式实现多端口类型，交直流端口不能通用，增加了成本；同时，上述所公开的路由器拓扑中都含有中高频变压器且开关管数量大，不仅增加了成本，还降低了系统效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法，以解决现有技术中路由器拓扑成本高，效率低的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种交直流通用型电力路由器拓扑，包括：双向变换器、输出模块以及交直流通用接口；

所述双向变换器包括第一直流电容、第二直流电容以及多电平拓扑；

所述第一直流电容的正极与正母线相连接，所述第一直流电容的负极与所述第二直流电容的正极相连接，所述第二直流电容的负极与负母线相连接，所述第一直流电容和所述第二直流电容之间设有中性点；

所述多电平拓扑的一端与所述中性点相连接，所述多电平拓扑的另一端与所述输出模块的一端相连接；所述多电平拓扑中可包含多个直流电容，用于形成多电平输出；所述输出模块的另一端与所述交直流通用接口相连接。

可选的，所述双向变换器具体包括：

按功率等级划分，所述双向变压器包括两电平半桥拓扑、T型三电平拓扑、多电平中点钳位拓扑或模块化多电平拓扑。

可选的，所述输出模块具体包括：可控开关、滤波电感、滤波电容以及限流电阻；

所述可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关以及第五可控开关；所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感；所述滤波电容包括第一滤波电容、第二滤波电容以及第三滤波电容；所述限流电阻包括第一限流电阻以及第二限流电阻；

所述第四可控开关的一端分别与所述第三滤波电容的一端、双向变换器的电压输出端口相连接；所述第四可控开关的另一端分别与所述第三滤波电容的另一端、所述第一滤波电感的一端相连接；所述第一滤波电感的另一端分别与所述第一可控开关的一端、所述第二滤波电感的一端相连接；所述第一可控开关的另一端与所述第四滤波电容的一端相连接；所述第四滤波电容的另一端与中性点相连接；

所述第二滤波电感的另一端分别与所述第二可控开关的一端、所述第三可控开关的一端相连接；所述第三可控开关的另一端与所述交直流通用接口相连接；所述第三可控开关包括第一路开关以及第二路开关，其中，第一路开关串联所述第二限流电阻，第二路开关为纯开关；

所述第二可控开关的另一端分别与所述第五滤波电容的一端、所述第五可控开关的一端相连接；所述第二可控开关包括第三路开关以及第四路开关，其中，第三路开关串联所述第一限流电阻，第四路开关为纯开关；所述第五滤波电容的另一端分别与所述第五可控开关的另一端、负母线相连接。

一种交直流通用型电力路由器拓扑的控制方法，所述控制方法应用于交直流通用型电力路由器拓扑，所述路由器拓扑结构包括双向变换器以及输出模块；

所述双向变换器包括第一直流电容、第二直流电容以及多电平拓扑；

所述第一直流电容的正极与正母线相连接，所述第一直流电容的负极与所述第二直流电容的正极相连接，所述第二直流电容的负极与负母线相连接，所述第一直流电容和所述第二直流电容之间设有中性点；

所述多电平拓扑的一端与所述中性点相连接，所述多电平拓扑的另一端与所述输出模块的一端相连接；所述多电平拓扑中可包含多个直流电容，用于形成多电平输出；所述输出模块的另一端与所述交直流通用接口相连接；

所述控制方法包括：

获取用户需求电流类型；所述需求电流类型包括直流电及交流电；

根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流；所述相对应的电流包括直流电输出电流及交流电输出电流；所述交流电输出电流通过所述中性点输出，所述直流电输出电流通过所述负母线输出。

可选的，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

输出模块具体包括可控开关、滤波电感、滤波电容以及限流电阻；所述可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关以及第五可控开关；所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感；所述滤波电容包括第一滤波电容、第二滤波电容以及第三滤波电容；所述限流电阻包括第一限流电阻以及第二限流电阻；所述第四可控开关的一端分别与所述第三滤波电容的一端、双向变换器的电压输出端口相连接；所述第四可控开关的另一端分别与所述第三滤波电容的另一端、所述第一滤波电感的一端相连接；所述第一滤波电感的另一端分别与所述第一可控开关的一端、所述第二滤波电感的一端相连接；所述第一可控开关的另一端与所述第四滤波电容的一端相连接；所述第四滤波电容的另一端与中性点相连接；所述第二滤波电感的另一端分别与所述第二可控开关的一端、所述第三可控开关的一端相连接；所述第三可控开关的另一端与所述交直流通用接口相连接；所述第三可控开关包括第一路开关以及第二路开关，其中，第一路开关串联所述第二限流电阻，第二路开关为纯开关；所述第二可控开关的另一端分别与所述第五滤波电容的一端、所述第五可控开关的一端相连接；所述第二可控开关包括第三路开关以及第四路开关，其中，第三路开关串联所述第一限流电阻，第四路开关为纯开关；所述第五滤波电容的另一端分别与所述第五可控开关的另一端、负母线相连接；

当要求所述电流输出信号为直流电输出信号时，闭合所述第四可控开关、所述第一路开关以及所述第三路开关；断开所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用第一限流电阻以及第二限流电阻进行软启动；启动完成后，断开所述第一路开关以及所述第三路开关，闭合所述第二路开关以及第四路开关。

可选的，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

当要求所述电流输出信号为交流电输出信号且应用于并网与负载供电时，断开所述第四可控开关、所述第一路开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关、所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

可选的，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

当要求所述电流输出信号为交流电输出信号且应用于风力发电时，断开所述第四可控开关、所述第一可控开关、所述第一路开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

可选的，还包括：

当发生极间不平衡时，闭合所述第四可控开关、所述第三路开关、所述第五可控开关，断开所述第一可控开关、所述第三可控开关、所述第六可控开关、所述第四路开关。通过控制双向变换器向第一直流电容、第二直流电容充放电实现极间平衡。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法，该交直流通用型电力路由器拓扑仅采用了双向变换器、输出模块以及交直流通用接口三部分，构成的路由器拓扑结构简单，无需中高频变压器，降低了路由器拓扑的体积和成本，且具有交直流通用接口，通过本发明所提供的控制方法控制路由器拓扑内各个零部件之间的闭合及断开，从而提高路由器拓扑的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的交直流通用型电力路由器拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法，能够降低路由器拓扑的构造成本以及提高工作效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明所提供的交直流通用型电力路由器拓扑图，如图1所示，一种交直流通用型电力路由器拓扑，包括：双向变换器1、输出模块2以及交直流通用接口3。

第一直流电容C1正极与正母线相连，第一直流电容C1负极与第二直流电容C2正极相连并构成中性点，第二直流电容C2负极与负母线相连。

所述的输出模块2，包括五个可控开关、两个电感、三个电容与两个电阻；其中：第四可控开关K4的一端与第三滤波电容C3的一端、双向变换器1的电压输出端口相连；第四可控开关K4的另一端与第三滤波电容C3的另一端、第一滤波电感L1的一端相连；第一滤波电感L1的另一端与第一可控开关K1的一端、第二滤波电感L2的一端相连；第一可控开关K1的另一端与第四滤波电容C4的一端相连。第四滤波电容C4的另一端与中性点N相连；第二滤波电感L2的另一端与第二可控开关K2的一端、第三可控开关K3的一端相连。第三可控开关K3另一端与交直流通用接口3相连；第三可控开关K3包含两路开关，其中一路串联第二限流电阻R2，另一路为纯开关；第二可控开关K2另一端与第五滤波电容C5的一端，第五可控开关K5的一端相连；第二可控开关K2包含两路开关，其中一路串联第一限流电阻R1，另一路为纯开关；第五滤波电容C5的另一端与第五可控开关K5的另一端、负母线相连。

所述的交直流通用端口输入为直流电时，闭合第四可控开关K4、第二可控开关K2中含第一限流电阻R1的一路、第三可控开关K3中含第二限流电阻R2的一路，断开第一可控开关K1、第五可控开关K5；利用第一限流电阻R1、第二限流电阻R2实现软启动；启动完成后，断开第二可控开关K2中含第一限流电阻R1的一路、第三可控开关K3中含第二限流电阻R2的一路，闭合第二可控开关K2中纯开关的一路、第三可控开关K3中纯开关的一路。双向变换器1工作在直流斩波模式下，可以实现交直流通用接口3与负母线之间的直流输出；图1中MMC为模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)，3L-NPC为三电平中点钳位变换器(3 Level-Neutral Point Clamped，3L-NPC)，2L-HB为两电平半桥变换器(2 Level-HalfBridge，2L-HB)。

所述的交直流通用端口输入为交流且应用于并网与负载供电时，断开第四可控开关K4、第二可控开关K2、第三可控开关K3中含第二限流电阻R2的一路，闭合第一可控开关K1、第五可控开关K5、第三可控开关K3中纯开关的一路；利用第三滤波电容C3实现无损软启动；启动完成后，闭合第四可控开关K4；双向变换器1工作在PWM逆变模式下，可以实现交直流通用接口3与中性点N之间的交流输出。

当要求所述电流输出信号为交流电输出信号且应用于风力发电时，断开第四可控开关K4、第二可控开关K2、第一可控开关K1、第三可控开关K3中含第二限流电阻R2的一路，闭合第五可控开关K5、第三可控开关K3中纯开关的一路；利用第三滤波电容C3实现无损软启动；启动完成后，闭合第四可控开关K4；双向变换器1工作在PWM逆变模式下，可以实现交直流通用接口3与中性点N之间的交流输出。

当发生极间不平衡时，闭合所述第四可控开关K4、所述第三路开关、所述第五可控开关K5，断开所述第一可控开关K1、所述第三可控开关K3、所述第六可控开关K6、所述第四路开关。通过控制双向变换器向第一直流电容C1、第二直流电容C2充放电实现极间平衡。

其中，按功率等级划分，所述双向变换器包括但不限于两电平半桥拓扑、T型三电平拓扑、多电平中点钳位拓扑、模块化多电平拓扑、混合钳位型多电平拓扑、电容钳位型多电平拓扑、二极管钳位型多电平拓扑。

本发明还提供了一种交直流通用型电力路由器拓扑的控制方法，所述控制方法应用于上述所提供的交直流通用型电力路由器拓扑，所述控制方法包括：

获取用户需求电流类型；所述需求电流类型包括直流电及交流电；

根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流；所述相对应的电流包括直流电输出电流及交流电输出电流；所述交流电输出电流通过所述中性点输出，所述直流电输出电流通过所述负母线输出。

在实际应用中，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

当要求所述电流输出信号为直流电输出信号时，闭合所述第四可控开关、所述第一路开关以及所述第三路开关；断开所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用第一限流电阻以及第二限流电阻进行软启动；启动完成后，断开所述第一路开关以及所述第三路开关，闭合所述第二路开关以及第四路开关。

当要求所述电流输出信号为交流电输出信号且应用于并网与负载供电时，断开所述第一路开关、所述第四可控开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关、所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

当要求所述电流输出信号为交流电输出信号且应用于风力发电时，断开所述第四可控开关、所述第一可控开关、所述第一路开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

根据极间状态控制所述第一直流电容、第二直流电容的平衡状态：当发生极间不平衡时，闭合所述第四可控开关、所述第三路开关、所述第五可控开关，断开所述第一可控开关、所述第三可控开关、所述第六可控开关、所述第四路开关。通过控制双向变换器向第一直流电容、第二直流电容充放电实现极间平衡。

本发明提供了一种交直流通用型电力路由器拓扑及其控制方法，所述电路路由器拓扑包括双向变换器按功率等级可为两电平半桥拓扑、T型三电平拓扑、多电平中点钳位拓扑或模块化多电平拓扑，不同的双向变换器得到不同的交直流通用型电力路由器拓扑；采用本发明所提供的路由器拓扑，输入直流电压，输出交流或直流电压，并包括两个直流电容串联在正负母线之间构成中性点；输出模块包括五个可控开关、两个电感、三个电容与两个电阻；通过选择不同的双向变换器拓扑、输出模块开关投切，本发明可以实现不同功率等级的电能传输，并且输出模块的输出端口为交直流通用型端口，能根据用户需求输出交流电或直流电，满足用户的不同需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种交直流通用型电力路由器拓扑，其特征在于，包括：双向变换器、输出模块以及交直流通用接口；

所述双向变换器包括第一直流电容、第二直流电容以及变换电路；所述变换电路包括两电平半桥拓扑、T型三电平拓扑、多电平中点钳位拓扑或模块化多电平拓扑；

所述第一直流电容的正极与正母线相连接，所述第一直流电容的负极与所述第二直流电容的正极相连接，所述第二直流电容的负极与负母线相连接，所述第一直流电容和所述第二直流电容之间设有中性点；

所述变换电路的一端与所述中性点相连接，所述变换电路的另一端与所述输出模块的一端相连接；所述变换电路中包含多个直流电容；所述输出模块的另一端与所述交直流通用接口相连接；所述输出模块具体包括：可控开关、滤波电感、滤波电容以及限流电阻；

所述可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关以及第五可控开关；所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感；所述滤波电容包括第三滤波电容、第四滤波电容以及第五滤波电容；所述限流电阻包括第一限流电阻以及第二限流电阻；

所述第四可控开关的一端分别与所述第三滤波电容的一端、双向变换器的电压输出端口相连接；所述第四可控开关的另一端分别与所述第三滤波电容的另一端、所述第一滤波电感的一端相连接；所述第一滤波电感的另一端分别与所述第一可控开关的一端、所述第二滤波电感的一端相连接；所述第一可控开关的另一端与所述第四滤波电容的一端相连接；所述第四滤波电容的另一端与中性点相连接；

所述第二滤波电感的另一端分别与所述第二可控开关的一端、所述第三可控开关的一端相连接；所述第三可控开关的另一端与所述交直流通用接口相连接；所述第三可控开关包括第一路开关以及第二路开关，其中，第一路开关串联所述第二限流电阻，第二路开关为纯开关；

所述第二可控开关的另一端分别与所述第五滤波电容的一端、所述第五可控开关的一端相连接；所述第二可控开关包括第三路开关以及第四路开关，其中，第三路开关串联所述第一限流电阻，第四路开关为纯开关；所述第五滤波电容的另一端分别与所述第五可控开关的另一端、负母线相连接。

2.一种交直流通用型电力路由器拓扑的控制方法，其特征在于，所述控制方法应用于交直流通用型电力路由器拓扑，所述路由器拓扑结构包括双向变换器以及输出模块；

所述双向变换器包括第一直流电容、第二直流电容以及变换电路；

所述第一直流电容的正极与正母线相连接，所述第一直流电容的负极与所述第二直流电容的正极相连接，所述第二直流电容的负极与负母线相连接，所述第一直流电容和所述第二直流电容之间设有中性点；

所述变换电路的一端与所述中性点相连接，所述变换电路的另一端与所述输出模块的一端相连接；所述变换电路中包含多个直流电容；所述输出模块的另一端与交直流通用接口相连接；

所述控制方法包括：

获取用户需求电流类型；所述用户需求电流类型包括直流电及交流电；

根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流；所述相对应的电流包括直流电输出电流及交流电输出电流；所述交流电输出电流通过所述中性点输出，所述直流电输出电流通过所述负母线输出；

根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

输出模块具体包括可控开关、滤波电感、滤波电容以及限流电阻；所述可控开关包括第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关、第四可控开关、第五可控开关以及第六可控开关；所述滤波电感包括第一滤波电感以及第二滤波电感；所述滤波电容包括第三滤波电容、第四滤波电容以及第五滤波电容；所述限流电阻包括第一限流电阻以及第二限流电阻；所述第四可控开关的一端分别与所述第三滤波电容的一端、双向变换器的电压输出端口相连接；所述第四可控开关的另一端分别与所述第三滤波电容的另一端、所述第一滤波电感的一端相连接；所述第一滤波电感的另一端分别与所述第一可控开关的一端、所述第二滤波电感的一端相连接；所述第一可控开关的另一端与所述第四滤波电容的一端相连接；所述第四滤波电容的另一端与中性点相连接；所述第二滤波电感的另一端分别与所述第二可控开关的一端、所述第三可控开关的一端相连接；所述第三可控开关的另一端与所述交直流通用接口相连接；所述第三可控开关包括第一路开关以及第二路开关，其中，第一路开关串联所述第二限流电阻，第二路开关为纯开关；所述第二可控开关的另一端分别与所述第五滤波电容的一端、所述第五可控开关的一端相连接；所述第二可控开关包括第三路开关以及第四路开关，其中，第三路开关串联所述第一限流电阻，第四路开关为纯开关；所述第五滤波电容的另一端分别与所述第五可控开关的另一端、负母线相连接；所述第六可控开关中第一路开关的两端分别与所述正母线以及所述交直流通用接口的正极接口连接；所述第六可控开关中第二路开关的两端分别与所述负母线以及所述交直流通用接口的负极接口连接；所述第六可控开关中第三路开关的两端分别与所述中性点以及所述交直流通用接口的中性接口连接；

当所述输出模块输出直流电输出电流时，闭合所述第四可控开关、所述第一路开关以及所述第三路开关；断开所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用第一限流电阻以及第二限流电阻进行软启动；启动完成后，断开所述第一路开关以及所述第三路开关，闭合所述第二路开关以及第四路开关。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

当所述输出模块输出交流电输出电流且应用于并网与负载供电时，断开所述第四可控开关、所述第一路开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关、所述第一可控开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

4.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述根据所述用户需求电流类型控制所述输出模块输出相对应的电流，具体包括：

当所述输出模块输出为交流电输出电流且应用于风力发电时，断开所述第四可控开关、所述第一可控开关、所述第一路开关以及第二可控开关；闭合所述第二路开关以及所述第五可控开关；利用所述第三滤波电容进行无损软启动；启动完成后，闭合所述第四可控开关。

5.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，还包括：

当发生极间不平衡时，闭合所述第四可控开关、所述第三路开关、所述第五可控开关，断开所述第一可控开关、所述第三可控开关、所述第六可控开关、所述第四路开关；通过控制双向变换器向第一直流电容、第二直流电容充放电实现极间平衡。