CN109361214A - 一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器，包括：通过高压交流端口与交直流配电网的高压交流配电网相连的高压整流级MMC‑AC/DC变流器，均通过高压直流端口与交直流配电网的高压直流配电网相连的整流级MMC‑AC/DC变流器和变压隔离级MMC‑DC/DC变流器；变压隔离级MMC‑DC/DC变流器的低压直流端口和三相DC/AC变流器的直流侧相连，并由此形成低压直流接口；三相DC/AC变流器的低压交流端口可接入低压交流电网或者单/三相交流负荷。本发明公开的电能路由器高压侧采用具备负电平输出的混合子模块构成，具有交直流故障穿越能力，保证外部交直流电网故障下电能路由器的不间断可靠运行，可进一步提升分布式清洁能源发电渗透率以及供电可靠性。

Description

一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器
技术领域
本发明属于能源互联网与电气技术领域，更具体地，涉及一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器。
背景技术
近年来，为了缓解日益突出的能源、资源及环境问题，大量分布式可再生能源发电装置并入电网，使得传统的配电网由单纯的供电功能，扩展出了发电的功能。然而，现有交流配电网为树状、弱联络馈线结构，其中的关键设备工频电磁式变压器存在着能量不可控、无法隔离故障、无能量存储等缺点，在此背景下，近年来能源互联网关键设备电能路由器得到学术界的广泛关注。
面向中低压交直流配电网的电能路由器，其拓扑结构主要基于电力电子变压器，目前典型的电能路由器拓扑按结构可分为两大类：基于H桥级联(Cascaded H-bridge，CHB)结构和基于模块化多电平变换器(Modular Multi-level Converter，MMC)结构。基于CHB结构的电能路由器整流级为H桥级联、中间级为串联输入并联输出的DC/DC隔离变换器、输出级为单/三相H桥逆变器三级组成，其控制相对简单，理论比较成熟，并在微网、轨道交通等领域得到了应用，然而基于CHB结构的电能路由器缺少高压直流接口，无法接入中高压直流配电网，其灵活性受到限制。基于MMC结构的电能路由器的整流级为MMC-AC/DC、中间级为串联输入并联输出的DC/DC隔离变换器、输出级为单/三相H桥逆变器三级组成，高压侧提供了交流、直流接口，利于互联中高压交直流配电网，但该类电能路由器的理论和实践还处于探索阶段。
已有的电能路由器拓扑结构的局限性在于，没有考虑中高压交直流故障应对能力，无法在异常工况下实现故障穿越，不能实现故障下电能路由器的不间断运行，无法为配电网提供系统级的故障隔离与穿越功能，不利于进一步提升可再生能源的渗透率。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器拓扑结构，由此解决中高压交直流配电网异常工况下电能路由器的故障穿越问题，同时提供多个交直流隔离接口，有利于可再生能源、储能和柔性负载的接入。
为实现上述目的，本发明提供了一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器，包括：高压整流级MMC-AC/DC变流器、多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器及逆变级DC/AC变流器；
所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压交流端口与交直流配电网的高压交流配电网相连，所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压直流端口和所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的高压直流端口均与交直流配电网的高压直流配电网相连；所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口与所述逆变级DC/AC变流器的直流侧相连，以形成低压直流端口；
所述高压整流级MMC-AC/DC变流器，用于高压交流和高压直流之间的电能变换，并提供高压交流端口和高压直流端口；在所述高压交流配电网发生故障时，闭锁所述高压整流级MMC-AC/DC变流器，由所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压直流端口通过所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器向低压侧供电；在所述高压直流配电网发生故障时，闭锁所述高压整流级MMC-AC/DC变流器及所述变压隔离级MMC-DC/DC变流器的直流高压侧子模块，由所述变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压侧不同端口间提供电能；
所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器，用于进行高压直流和低压不同电压等级直流之间的电能变换，并提供多个不同电压等级的低压直流端口，在所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器任意一个端口故障时，直接闭锁故障端口，而不影响其它端口的正常工作；
所述逆变级DC/AC变流器，用于低压直流和低压交流之间的电能变换，并提供低压交流端口。
优选地，所述高压整流级MMC-AC/DC变流器为三相结构，每相结构均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块均由半桥子模块和全桥子模块串联组成，且每个桥臂子模块中的半桥子模块和全桥子模块的数量相同，每个桥臂上均串联桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过各自对应的桥臂电抗器相接后作为高压交流端口对应相，三相三个上桥臂直接相连作为高压直流端口的正极，三相三个下桥臂直接相连作为高压直流端口的负极。
优选地，所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器由两相MMC、多绕组高频变压器、多组AC/DC H桥及若干个第一低压直流电容组成；
所述两相MMC中每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块均由半桥子模块和全桥子模块串联组成，且每个桥臂子模块中的半桥子模块和全桥子模块的数量相同，每个桥臂上串联桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过各自对应的桥臂电抗器相接后与所述多绕组高频变压器的高压端口相连，两相MMC的两个上桥臂直接相连后与高压直流端口的正极连接，两相MMC的两个下桥臂直接相连后与高压直流端口的负极连接；所述多绕组高频变压器的低压侧有多组接口，以分别连接各所述AC/DC H桥的交流端子；各所述AC/DC H桥的输出端分别与各第一低压直流电容正负极相连。
优选地，所述半桥子模块由第一IGBT半桥和第一直流电容并联组成，所述第一IGBT半桥的中点和所述第一直流电容的负极构成所述半桥子模块的输出端；
所述全桥子模块由第二IGBT半桥、第三IGBT半桥及第二直流电容构成，所述第二IGBT半桥与所述第三IGBT半桥并联，所述第三IGBT半桥与所述第二直流电容并联，所述第二IGBT半桥的桥臂中点及所述第三IGBT半桥的桥臂中点构成所述全桥子模块的输出端。
优选地，所述逆变级DC/AC变流器包括单相DC/AC逆变器或者三相DC/AC逆变器；
所述单相DC/AC逆变器包括第二低压直流电容、第四IGBT半桥、第五IGBT半桥和滤波电感；所述第四IGBT半桥的第一端与所述第五IGBT半桥的第一端及所述第二低压直流电容的第一端相连，所述第四IGBT半桥的第二端与所述第五IGBT半桥的第二端及所述第二低压直流电容的第二端相连，所述第二低压直流电容的两端接至所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口，所述第四IGBT半桥的桥臂中点串联所述滤波电感后与所述第五IGBT半桥的桥臂中点构成所述单相DC/AC逆变器的输出端口；
所述三相DC/AC逆变器包括第六IGBT半桥、第七IGBT半桥、第八IGBT半桥、第九IGBT半桥、第三低压直流电容、三相滤波电感及三相滤波电容；所述第六IGBT半桥的第一端与所述第七IGBT半桥的第一端、所述第八IGBT半桥的第一端、所述第九IGBT半桥的第一端及所述第三低压直流电容的第一端相连，所述第六IGBT半桥的第二端与所述第七IGBT半桥的第二端、所述第八IGBT半桥的第二端、所述第九IGBT半桥的第二端及所述第三低压直流电容的第二端相连，所述第三低压直流电容的两端接至所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口，所述三相DC/AC逆变器的输出端口通过所述三相滤波电感串联接至各IGBT半桥的桥臂中点，所述三相滤波电容的一端接于各相的输出端口，另一端采用星型连接于输出端口的中线上。
优选地，所述AC/DC H桥包括第十IGBT半桥及第十一IGBT半桥；
所述第十IGBT半桥的第一端与所述第十一IGBT半桥的第一端及所述第一低压直流电容的第一端相连，所述第十IGBT半桥的第二端与所述第十一IGBT半桥的第二端及所述第一低压直流电容的第二端相连，所述第十IGBT半桥及第十一IGBT半桥的桥臂中点构成交流端子并与所述多绕组高频变压器低压侧的接口相连，所述第一低压直流电容的两端构成低压直流端口。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明所提的主动型电能路由器具有故障穿越能力，电能路由器任意一个端口出现故障时，可通过主动控制或闭锁隔离故障，不影响其它端口的正常运行，实现中高压侧交、直流短路故障下电能路由器的不间断运行，提高电能路由器的可靠性和安全性，有利于进一步提升分布式电源的渗透率。
(2)本发明所提的主动型电能路由器具备高低压交直流四类通用接口，其中高压交流端口可用于接入高压交流系统，高压直流端口可用于接入高压直流系统，多个不同电压等级低压侧隔离的直流端口可方便分布式新能源发电、分级储能、电动汽车、冷热电三联供、柔性负荷等分类统一管理，通过双向潮流控制，实施电能高效的供给和分配，低压交流端口可接入交流负荷、交流供电装置和交流储能装置。
(3)本发明所提的主动型电能路由器具备交直流多端口间电能交互与能量的主动分配控制，互联交直流系统，高低压之间电气隔离与故障穿越，新能源接入，电能质量控制等功能，符合未来交直流主动配电网的发展趋势。
(4)本发明所提的主动型电能路由器高压交流、直流侧由半桥、全桥子模块组成，理论上可以拓展到任意电平，便于生产、安装和维修，具备高度模块化、方便冗余设计等优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种HBSM子模块的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种FBSM子模块的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种单相DC/AC逆变器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种三相四线制DC/AC逆变器的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”和“第三”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
本发明公开了一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器拓扑结构，由整流级主动型MMC-AC/DC变流器，变压隔离级MMC-DC/DC变流器和逆变级DC/AC变流器组成，如图1所示。该电能路由器的具体结构为：
整流级主动型MMC-AC/DC变流器的高压交流端口与交直流配电网的高压10kV交流配电网相连，整流级主动型MMC-AC/DC变流器和变压隔离级MMC-DC/DC变流器的±10kV高压直流端口与交直流配电网的高压直流配电网相连；所述变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口(800V直流端口、400V直流端口及48V直流端口等)和单/三相DC/AC变流器的直流侧相连，并由此形成低压直流端口，低压直流端口可接入相对应电压等级的直流负荷、直流供电装置、直流储能装置或者新能源发电设备；单/三相DC/AC变流器的低压交流端口可接入低压交流电网或者单/三相交流负荷。
上述具备交直流故障穿越的主动型电能路由器中，整流级MMC-AC/DC变流器为三相结构，每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块由相等数量的半桥子模块(HalfBridge Sub-module，HBSM)和全桥子模块(Full Bridge Sub-module，FBSM)组成，每个桥臂上串联一个桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过桥臂电抗器相接后作为高压交流端口对应相，三相三个上桥臂直接相连作为高压直流端口的正极，三相三个下桥臂直接相连作为高压直流端口的负极。其中，如图2所示的半桥子模块由一个IGBT半桥和一个直流电容并联组成，IGBT半桥的中点和电容负极构成了半桥子模块的两个输出端；如图3所示的全桥子模块由两个IGBT半桥和一个直流电容并联组成，两个IGBT半桥的桥臂中点构成了全桥子模块的两个输出端。
上述具备交直流故障穿越的主动型电能路由器中，变压隔离级MMC-DC/DC变流器由两相MMC、多绕组高频变压器、多组AC/DC H桥和低压直流电容组成。两相MMC中每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块由相等数量的半桥子模块和全桥子模块组成，每个桥臂上串联一个桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过桥臂电抗器相接后与多绕组高频变压器的高压端口相连，两相两个上桥臂直接相连后与高压直流端口的正极连接，两相两个下桥臂直接相连后与高压直流端口的负极连接；半桥子模块由一个IGBT半桥和一个直流电容并联组成，IGBT半桥的中点和电容负极构成了半桥子模块的两个输出端；全桥子模块由两个IGBT半桥和一个直流电容并联组成，两个IGBT半桥的桥臂中点构成了全桥子模块的两个输出端。多绕组高频变压器低压侧有多组接口，分别连接单相AC/DC H桥的交流端子，单相AC/DC H桥由两个IGBT半桥组成，两个半桥桥臂中点构成交流端子并与多绕组高频变压器低压侧的接口相连，两个半桥的上下端分别与低压直流电容正负极相连；可根据应用需要设计多绕组高频变压器低压侧接口的数量，每一组单相AC/DC H桥和多绕组高频变压器低压侧接口的接法与上述一致，可形成如：800V直流端口、400V直流端口及48V直流端口等。
上述具备交直流故障穿越的主动型电能路由器中，逆变级DC/AC变流器可为单相DC/AC逆变器和三相DC/AC逆变器两种结构。单相DC/AC逆变器由一个低压直流电容、两个IGBT半桥和一个滤波电感组成，如图4所示，两个半桥的上下端分别与低压直流电容正负极相连并接至变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口，其中一个IGBT半桥的桥臂中点串联滤波电感与另一个IGBT半桥的桥臂中点构成单相DC/AC逆变器的输出端口。三相DC/AC逆变器由一个低压直流电容、四个IGBT半桥、一个三相滤波电感和一个三相滤波电容构成，如图5所示，三相DC/AC逆变器的输入端口与低压直流电容和四个IGBT半桥的上下端并联连接，三相DC/AC逆变器的输出端口通过三相滤波电感串联接至四个IGBT半桥的桥臂中点，三相滤波电容的一端接于各相的输出端口，另一端采用星型连接于输出端口的中线上。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种具备交直流故障穿越的主动型电能路由器，其特征在于，包括：高压整流级MMC-AC/DC变流器、多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器及逆变级DC/AC变流器；
所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压交流端口与交直流配电网的高压交流配电网相连，所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压直流端口和所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的高压直流端口均与交直流配电网的高压直流配电网相连；所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口与所述逆变级DC/AC变流器的直流侧相连，以形成低压直流端口；
所述高压整流级MMC-AC/DC变流器，用于高压交流和高压直流之间的电能变换，并提供高压交流端口和高压直流端口；在所述高压交流配电网发生故障时，闭锁所述高压整流级MMC-AC/DC变流器，由所述高压整流级MMC-AC/DC变流器的高压直流端口通过所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器向低压侧供电；在所述高压直流配电网发生故障时，闭锁所述高压整流级MMC-AC/DC变流器及所述变压隔离级MMC-DC/DC变流器的直流高压侧子模块，由所述变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压侧不同端口间提供电能；
所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器，用于进行高压直流和低压不同电压等级直流之间的电能变换，并提供多个不同电压等级的低压直流端口，在所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器任意一个端口故障时，直接闭锁故障端口，而不影响其它端口的正常工作；
所述逆变级DC/AC变流器，用于低压直流和低压交流之间的电能变换，并提供低压交流端口。
2.根据权利要求1所述的主动型电能路由器，其特征在于，所述高压整流级MMC-AC/DC变流器为三相结构，每相结构均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块均由半桥子模块和全桥子模块串联组成，且每个桥臂子模块中的半桥子模块和全桥子模块的数量相同，每个桥臂上均串联桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过各自对应的桥臂电抗器相接后作为高压交流端口对应相，三相三个上桥臂直接相连作为高压直流端口的正极，三相三个下桥臂直接相连作为高压直流端口的负极。
3.根据权利要求1所述的主动型电能路由器，其特征在于，所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器由两相MMC、多绕组高频变压器、多组AC/DC H桥及若干个第一低压直流电容组成；
所述两相MMC中每相均分为上下两个桥臂，每个桥臂的子模块均由半桥子模块和全桥子模块串联组成，且每个桥臂子模块中的半桥子模块和全桥子模块的数量相同，每个桥臂上串联桥臂电抗器，同相的上下两桥臂通过各自对应的桥臂电抗器相接后与所述多绕组高频变压器的高压端口相连，两相MMC的两个上桥臂直接相连后与高压直流端口的正极连接，两相MMC的两个下桥臂直接相连后与高压直流端口的负极连接；所述多绕组高频变压器的低压侧有多组接口，以分别连接各所述AC/DC H桥的交流端子；各所述AC/DC H桥的输出端分别与各第一低压直流电容正负极相连。
4.根据权利要求2或3所述的主动型电能路由器，其特征在于，所述半桥子模块由第一IGBT半桥和第一直流电容并联组成，所述第一IGBT半桥的中点和所述第一直流电容的负极构成所述半桥子模块的输出端；
所述全桥子模块由第二IGBT半桥、第三IGBT半桥及第二直流电容构成，所述第二IGBT半桥与所述第三IGBT半桥并联，所述第三IGBT半桥与所述第二直流电容并联，所述第二IGBT半桥的桥臂中点及所述第三IGBT半桥的桥臂中点构成所述全桥子模块的输出端。
5.根据权利要求4所述的主动型电能路由器，其特征在于，所述逆变级DC/AC变流器包括单相DC/AC逆变器或者三相DC/AC逆变器；
所述单相DC/AC逆变器包括第二低压直流电容、第四IGBT半桥、第五IGBT半桥和滤波电感；所述第四IGBT半桥的第一端与所述第五IGBT半桥的第一端及所述第二低压直流电容的第一端相连，所述第四IGBT半桥的第二端与所述第五IGBT半桥的第二端及所述第二低压直流电容的第二端相连，所述第二低压直流电容的两端接至所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口，所述第四IGBT半桥的桥臂中点串联所述滤波电感后与所述第五IGBT半桥的桥臂中点构成所述单相DC/AC逆变器的输出端口；
所述三相DC/AC逆变器包括第六IGBT半桥、第七IGBT半桥、第八IGBT半桥、第九IGBT半桥、第三低压直流电容、三相滤波电感及三相滤波电容；所述第六IGBT半桥的第一端与所述第七IGBT半桥的第一端、所述第八IGBT半桥的第一端、所述第九IGBT半桥的第一端及所述第三低压直流电容的第一端相连，所述第六IGBT半桥的第二端与所述第七IGBT半桥的第二端、所述第八IGBT半桥的第二端、所述第九IGBT半桥的第二端及所述第三低压直流电容的第二端相连，所述第三低压直流电容的两端接至所述多端口变压隔离级MMC-DC/DC变流器的低压直流端口，所述三相DC/AC逆变器的输出端口通过所述三相滤波电感串联接至各IGBT半桥的桥臂中点，所述三相滤波电容的一端接于各相的输出端口，另一端采用星型连接于输出端口的中线上。
6.根据权利要求3所述的主动型电能路由器，其特征在于，所述AC/DC H桥包括第十IGBT半桥及第十一IGBT半桥；
所述第十IGBT半桥的第一端与所述第十一IGBT半桥的第一端及所述第一低压直流电容的第一端相连，所述第十IGBT半桥的第二端与所述第十一IGBT半桥的第二端及所述第一低压直流电容的第二端相连，所述第十IGBT半桥及第十一IGBT半桥的桥臂中点构成交流端子并与所述多绕组高频变压器低压侧的接口相连，所述第一低压直流电容的两端构成低压直流端口。
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