CN110880880A - 能量路由器的交流端口及能量路由器 - Google Patents
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Abstract
本公开公开了一种能量路由器的交流端口及能量路由器，属于电能存储领域。包括逆变电路、谐波电流抑制电路和谐波电流控制电路；谐波电流抑制电路包括第一开关器件、第二开关器件、电感和电容，第一开关器件和第二开关器件串联之后与直流母线并联，电感和电容串联之后与第二开关器件并联；谐波电流控制电路包括依次连接的第一减法器、第一比例积分控制器、第一正弦脉宽调制器和第一反相器，第一减法器的两个输入端分别接入谐波电流抑制电路的输入电流、以及谐波电流抑制电路的输入电流中的谐波电流，第一正弦脉宽调制器的输出端与第一开关器件的控制端连接，第一反相器的输出端与第二开关器件的控制端连接。本公开对直流母线无谐波影响。
Description
技术领域
本公开涉及电能存储领域，特别涉及一种能量路由器的交流端口。
背景技术
随着能源危机的日趋严重和供电可靠性要求的日益增高，多能源互联技术成为世界各国的研究焦点。虽然对能源互联网还没有统一公认的定义，但各种能源互联网概念的目标基本一致，即实现能源生产清洁替代、能源消费电能替代，从而实现能源共享和高效利用。能量路由器可以实现不同能源载体的输入、输出、转换、存储，是能源互联网的核心装置。能量路由器的端口用于供能装置与用能装置的接入，由电力电子变流器组成，具有高功率密度、容易实现模块化设计、既易于拆装又易于扩展供电容量的特点。
随着直流分布式电源的发展、以及储能装置和直流负荷的接入，能量路由器一般采用直流母线方式实现。这种能量路由器的结构简单，而且新能源发电、储能、负荷都只需一级变换即可并入母线，可以节省大量变流器、减少经费、降低损耗、提高可靠性。在采用直流母线方式的能量路由器中，交流电源的接入采用交流端口。而基于三相半桥逆变电路的交流逆变器是能量路由器常用的交流端口，可接入交流电网、柴油发电机、风力发电等交流电源。
在实现本公开的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：
采用直流母线方式的能量路由器中接入了不同的负载，负载产生的电流谐波会进入直流母线从而影响到其它负载。
发明内容
本公开实施例提供了一种能量路由器的交流端口，可以减小甚至避免负载产生的电流谐波进入直流母线。所述技术方案如下：
第一方面，本公开实施例提供了一种能量路由器的交流端口，所述交流端口包括单相逆变器模块，所述单相逆变器模块包括逆变电路、谐波电流抑制电路和谐波电流控制电路；所述逆变电路的输入端与直流母线连接，所述逆变电路的输出端与三相交流端口连接；所述谐波电流抑制电路包括第一开关器件、第二开关器件、电感和电容，所述第一开关器件的第一端与所述直流母线的正极连接，所述第一开关器件的第二端与所述第二开关器件的第一端连接，所述第二开关器件的第二端与所述直流母线的负极连接，所述电感的第一端与所述第一开关器件的第二端连接，所述电感的第二端与所述电容的第一端连接，所述电容的第二端与所述第二开关器件的第二端连接；所述谐波电流控制电路包括依次连接的第一减法器、第一比例积分控制器、第一正弦脉宽调制器和第一反相器，所述第一减法器的两个输入端分别接入所述谐波电流抑制电路的输入电流、以及所述谐波电流抑制电路的输入电流中的谐波电流，所述第一正弦脉宽调制器的输出端与所述第一开关器件的控制端连接，所述第一反相器的输出端与所述第二开关器件的控制端连接。
在本公开实施例一种可能的实现方式中，所述逆变电路包括第三开关器件、第四开关器件、第五开关器件和第六开关器件，所述第三开关器件的第一端和所述第五开关器件的第一端与所述直流母线的正极连接，所述第四开关器件的第二端和所述第六开关器件的第二端与所述直流母线的负极连接，所述第三开关器件的第二端与所述第四开关器件的第一端连接，所述第五开关器件的第二端与所述第六开关器件的第一端连接，所述第三开关器件的第二端和所述第五开关器件的第二端与三相交流端口通过耦合电感连接。
可选地，所述逆变电路还包括第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管，所述第一二极管的正极与所述第三开关器件的第二端连接，所述第一二极管的负极与所述第三开关器件的第一端连接，所述第二二极管的正极与所述第四开关器件的第二端连接，所述第二二极管的负极与所述第四开关器件的第二端连接，所述第三二极管的正极与所述第五开关器件的第二端连接，所述第三二极管的负极与所述第五开关器件的第一端连接，所述第四二极管的正极与所述第六开关器件的第二端连接，所述第四二极管的负极与所述第六开关器件的第一端连接。
可选地，所述单相逆变器模块还包括逆变控制电路，所述逆变控制电路包括依次连接的第二减法器、第二比例积分控制器、第二正弦脉宽调制器和第二反相器，所述第二减法器的两个输入端分别接入所述单相逆变器模块的输出电压、以及所述单相逆变器模块的设定电压，所述第二正弦脉宽调制器的输出端与所述第三开关器件的控制端、以及所述第六开关器件的控制端连接，所述第二反相器的输出端与所述第四开关器件的控制端、以及所述第五开关器件的控制端连接。
在本公开实施例另一种可能的实现方式中，所述逆变电路包括第七开关器件和第八开关器件，所述第七开关器件的第一端与所述直流母线的正极连接，所述第八开关器件的第二端与所述直流母线的负极连接，所述第七开关器件的第二端与三相交流端口通过耦合电感连接。
可选地，所述逆变电路还包括第七二极管和第八二极管，所述第七二极管的正极与所述第七开关器件的第二端连接，所述第七二极管的负极与所述第七开关器件的第一端连接，所述第八二极管的正极与所述第八开关器件的第二端连接，所述第八二极管的负极与所述第八开关器件的第二端连接。
可选地，所述单相逆变器模块的数量为三个，三个所述单相逆变器模块分别与所述三相交流端口的三个端口连接。
进一步地，三个所述单相逆变器模块的谐波电流控制电路为同一个。
进一步地，同一个所述单相逆变器模块中逆变电路、谐波电流抑制电路和谐波电流控制电路集成在一起。
第二方面，本公开实施例提供了一种能量路由器，所述能量路由器包括如第一方面提供的交流端口。
本公开实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过将谐波电流控制电路的输入电流、以及输入电流中的谐波电流分别输入减法器进行比较，利用比例积分控制器对比较结果进行比例积分，并将比例积分结果输入第一正弦脉宽调制器，即可输出相应的控制信号。基于正弦脉宽调制原理，第一开关器件和第二开关器件在该控制信号的作用下，可以得到想要的谐波电流，相当于将输入电流中的谐波电流引入第一开关器件和第二开关器件所在的支路，进而由谐波电流抑制电路中的电感和电容组成滤波器进行处理，从而有效抑制负载产生的电流谐波，避免电流谐波进入直流母线影响到其它负载。由于第一开关器件、第二开关器件、电感和电容组成的谐波电流抑制电路是对单向逆变器模块的输入电流中的谐波电流进行针对性处理，因此可以达到良好的滤波效果。
附图说明
为了更清楚地说明本公开实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本公开实施例提供的一种能量路由器的交流端口的结构示意图；
图2是本公开实施例提供的谐波电流控制电路的结构示意图；
图3是本公开实施例提供的逆变控制电路的结构示意图；
图4是本公开实施例提供的逆变电路的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本公开实施方式作进一步地详细描述。
本公开实施例提供了一种能量路由器的交流端口。图1为本公开实施例提供的一种能量路由器的交流端口的结构示意图。参见图1，交流端口包括单相逆变器模块10，单相逆变器模块10包括逆变电路11、谐波电流抑制电路12和谐波电流控制电路。逆变电路11的输入端与直流母线20连接，逆变电路11的输出端与三相交流端口30连接。谐波电流抑制电路12包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、电感L和电容C，第一开关器件S1的第一端与直流母线20的正极连接，第一开关器件S1的第二端与第二开关器件S2的第一端连接，第二开关器件S2的第二端与直流母线20的负极连接，电感L的第一端与第一开关器件S1的第二端连接，电感L的第二端与电容C的第一端连接，电容C的第二端与第二开关器件S2的第二端连接。
图2为本公开实施例提供的谐波电流控制电路的结构示意图。参见图2，谐波电流控制电路13包括依次连接的第一减法器131、第一比例积分(英文：Proportion Integral，简称：PI)控制器132、第一正弦脉宽调制(英文：Sine pulse width modulation，简称：SPWM)器133和第一反相器134，第一减法器131的两个输入端分别接入谐波电流抑制电路12的输入电流、以及谐波电流抑制电路12的输入电流中的谐波电流，第一正弦脉宽调制器133的输出端与第一开关器件S1的控制端连接，第一反相器134的输出端与第二开关器件S2的控制端连接。
如图1和图2所示，谐波电流抑制电路12的输入电流为If，对If进行傅里叶变换得到谐波电流If1sin(w1t+θf1)、If2sin(w2t+θf2)、……、Ifnsin(wnt+θfn)。将所有的谐波电流和输入电流分别输入第一减法器131相减，再相减结果输入第一比例积分控制器132进行比例积分，最后将比例积分结果输入第一正弦脉宽调制器133，即可得到开关器件的控制信号。第一反相器134是对控制信号进行反相，使得第一开关器件S1和第二开关器件S2交替导通。
在实际应用中，谐波电流抑制电路12的输入电流可以由电流传感器(如霍尔电流传感器)检测得到，电流传感器检测得到谐波电流抑制电路12的输入电流之后，一方面输入第一减法器131进行比较，另一方面先输入频谱分析仪，确定输入电流的谐波电流，再基于确定的谐波电流，利用信号发生器产生相应的谐波电流，并输入第一减法器131进行比较。
本公开实施例通过将谐波电流抑制电路的输入电流、以及输入电流中的谐波电流分别输入减法器进行比较，利用比例积分控制器对比较结果进行比例积分，并将比例积分结果输入第一正弦脉宽调制器，即可输出相应的控制信号。基于正弦脉宽调制原理，第一开关器件和第二开关器件在该控制信号的作用下，可以得到想要的谐波电流，相当于将输入电流中的谐波电流引入第一开关器件和第二开关器件所在的支路，进而由谐波电流抑制电路中的电感和电容组成滤波器进行处理，从而有效抑制负载产生的电流谐波，避免电流谐波进入直流母线影响到其它负载。由于第一开关器件、第二开关器件、电感和电容组成的谐波电流抑制电路是对单向逆变器模块的输入电流中的谐波电流进行针对性处理，因此可以达到良好的滤波效果。
在本公开实施例的第一种实现方式中，如图1所示，逆变电路11可以包括第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6，第三开关器件S3的第一端和第五开关器件S5的第一端与直流母线20的正极连接，第四开关器件S4的第二端和第六开关器件S6的第二端与直流母线20的负极连接，第三开关器件S3的第二端与第四开关器件S4的第一端连接，第五开关器件S5的第二端与第六开关器件S6的第一端连接，第三开关器件S3的第二端和第五开关器件S5的第二端与三相交流端口30通过耦合电感连接。
进一步地，如图1所示，逆变电路11还可以包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第一二极管D1的正极与第三开关器件S3的第二端连接，第一二极管D1的负极与第三开关器件S3的第一端连接，第二二极管D2的正极与第四开关器件S4的第二端连接，第二二极管D2的负极与第四开关器件S4的第二端连接，第三二极管D3的正极与第五开关器件S5的第二端连接，第三二极管D3的负极与第五开关器件S5的第一端连接，第四二极管D4的正极与第六开关器件S6的第二端连接，第四二极管D4的负极与第六开关器件S6的第一端连接。
通过将二极管与开关器件反向并联，可以释放开关器件截止时所承受的高压，起到续流的作用，避免开关器件损坏。
可选地，谐波电流抑制电路12还可以包括第五二极管D5和第六二极管D6，第五二极管D5的正极与第一开关器件S1的第二端连接，第五二极管D5的负极与第一开关器件S1的第一端连接，第六二极管D6的正极与第二开关器件S2的第二端连接，第六二极管D6的负极与第二开关器件S2的第二端连接。
通过将二极管与开关器件反向并联，可以释放开关器件截止时所承受的高压，起到续流的作用，避免开关器件损坏。
可选地，单相逆变器模块10还可以包括逆变控制电路。图3为本公开实施例提供的逆变控制电路的结构示意图。参见图3，逆变控制电路14包括依次连接的第二减法器141、第二比例积分控制器142、第二正弦脉宽调制器143和第二反相器144，第二减法器141的两个输入端分别接入单相逆变器模块10的输出电压、以及单相逆变器模块10的设定电压，第二正弦脉宽调制器143的输出端与第三开关器件S3的控制端、以及第六开关器件S6的控制端连接，第二反相器144的输出端与第四开关器件S4的控制端、以及第五开关器件S5的控制端连接。
如图1和图3所示，单相逆变器模块10的输出电压为u，单相逆变器模块10的设定电压为Usin(wt+θ)。将单相逆变器模块10的设定电压为Usin(wt+θ)和单相逆变器模块10的输出电压u分别输入第二减法器141，再相减结果输入第二比例积分控制器142进行比例积分，最后将比例积分结果输入第二正弦脉宽调制器143，即可得到开关器件的控制信号。第二反相器144是对控制信号进行反相，使得第三开关器件S3和第四开关器件S4交替导通、第五开关器件S5和第六开关器件S6交替导通。
在实际应用中，单相逆变器模块10的输出电压可以由电压传感器(如霍尔电压传感器)检测得到，单相逆变器模块10的设定电压可以直接由信号发生器产生。
图4为本公开实施例提供的逆变电路的结构示意图。参见图4，在本公开实施例的第二种实现方式中，逆变电路11可以包括第七开关器件S7和第八开关器件S8，第七开关器件S7的第一端与直流母线20的正极连接，第八开关器件S8的第二端与直流母线20的负极连接，第七开关器件S7的第二端与三相交流端口30通过耦合电感连接。
可选地，逆变电路11还可以包括第七二极管D7和第八二极管D8，第七二极管D7的正极与第七开关器件S7的第二端连接，第七二极管D7的负极与第七开关器件S7的第一端连接，第八二极管D8的正极与第八开关器件S8的第二端连接，第八二极管D8的负极与第八开关器件S8的第二端连接。
通过将二极管与开关器件反向并联，可以释放开关器件截止时所承受的高压，起到续流的作用，避免开关器件损坏。
可选地，第二种实现方式中的单相逆变器模块10也可以包括第一种实现方式中的逆变控制电路。第二种实现方式中的逆变控制电路与第一种实现方式中的逆变控制电路相比，内部结构相同，不同之处仅在于，第二正弦脉宽调制器143的输出端与第七开关器件S7的控制端连接，第二反相器144的输出端与第八开关器件S8的控制端连接，使得第七开关器件S7和第八开关器件S8交替导通。
可选地，如图1所示，单相逆变器模块10的数量可以为三个，三个单相逆变器模块10分别与三相交流端口30的三个端口连接。将三个单向逆变器模块组合即可产生三相交流电。
在实际应用中，当采用三个单相逆变器模块10产生三相交流电，三个单相逆变器模块10的设定电压两两之间相差120°。即三个单相逆变器模块10的输出电压分别为：
其中，ua、ub、uc分别为单相逆变器模块的输出电压，ω为电网电压频率，Ua、Ub、Uc分别为单相逆变器模块的输出电压的幅值且Ua＝Ub＝Uc，θa、θb、θc分别为单相逆变器模块的输出电压的相位且两两之间相差120°，Udc为直流母线的电压值。
第一种实现方式的单相逆变器模块的输出电压的基波幅值与直流母线的电压关系为：
Um＝mUdc； (2)
其中，Um为单相逆变器模块的输出电压的基波幅值，Um＝Ua＝Ub＝Uc，m为调制深度，且满足m≤1，Udc为直流母线的电压。
第二种实现方式的单相逆变器模块输出电压基波幅值与直流母线电压关系为：
其中，Um为单相逆变器模块的输出电压的基波幅值，Um＝Ua＝Ub＝Uc，m为调制深度，且满足m≤1，Udc为直流母线的电压。
因此，在相同的调制深度以及直流母线电压相同的条件下，逆变电路11在第一种实现方式中的输出电压是在第二种实现方式中的两倍，三相交流端口具有更高的功率容量。
在本公开实施例的一种实现方式中，三个单相逆变器模块10的谐波电流控制电路13可以为同一个。由同一个电路实现，可以降低实现成本。
在本公开实施例的另一种实现方式中，同一个单相逆变器模块10中逆变电路11、谐波电流抑制电路12和谐波电流控制电路13可以集成在一起。通过集成，实现模块化设计。
本公开实施例提供了一种能量路由器，能量路由器包括图1所示的交流端口。
以上所述仅为本公开的较佳实施例，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种能量路由器的交流端口，其特征在于，所述交流端口包括单相逆变器模块(10)，所述单相逆变器模块(10)包括逆变电路(11)、谐波电流抑制电路(12)和谐波电流控制电路(13)；所述逆变电路(11)的输入端与直流母线(20)连接，所述逆变电路(11)的输出端与三相交流端口(30)连接；所述谐波电流抑制电路(12)包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、电感L和电容C，所述第一开关器件S1的第一端与所述直流母线(20)的正极连接，所述第一开关器件S1的第二端与所述第二开关器件S2的第一端连接，所述第二开关器件S2的第二端与所述直流母线(20)的负极连接，所述电感L的第一端与所述第一开关器件S1的第二端连接，所述电感L的第二端与所述电容C的第一端连接，所述电容C的第二端与所述第二开关器件S2的第二端连接；所述谐波电流控制电路(13)包括依次连接的第一减法器(131)、第一比例积分控制器(132)、第一正弦脉宽调制器(133)和第一反相器(134)，所述第一减法(131)的两个输入端分别接入所述谐波电流抑制电路(12)的输入电流、以及所述谐波电流抑制电路(12)的输入电流中的谐波电流，所述第一正弦脉宽调制器(133)的输出端与所述第一开关器件S1的控制端连接，所述第一反相器(134)的输出端与所述第二开关器件S2的控制端连接。
2.根据权利要求1所述的交流端口，其特征在于，所述逆变电路(11)包括第三开关器件S3、第四开关器件S4、第五开关器件S5和第六开关器件S6，所述第三开关器件S3的第一端和所述第五开关器件S5的第一端与所述直流母线(20)的正极连接，所述第四开关器件S4的第二端和所述第六开关器件S6的第二端与所述直流母线(20)的负极连接，所述第三开关器件S3的第二端与所述第四开关器件S4的第一端连接，所述第五开关器件S5的第二端与所述第六开关器件S6的第一端连接，所述第三开关器件S3的第二端和所述第五开关器件S5的第二端与所述三相交流端口(30)通过耦合电感连接。
3.根据权利要求2所述的交流端口，其特征在于，所述逆变电路(11)还包括第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，所述第一二极管D1的正极与所述第三开关器件S3的第二端连接，所述第一二极管D1的负极与所述第三开关器件S3的第一端连接，所述第二二极管D2的正极与所述第四开关器件S4的第二端连接，所述第二二极管D2的负极与所述第四开关器件S4的第二端连接，所述第三二极管D3的正极与所述第五开关器件S5的第二端连接，所述第三二极管D3的负极与所述第五开关器件S5的第一端连接，所述第四二极管D4的正极与所述第六开关器件S6的第二端连接，所述第四二极管D4的负极与所述第六开关器件S6的第一端连接。
4.根据权利要求2所述的交流端口，其特征在于，所述单相逆变器模块(10)还包括逆变控制电路(14)，所述逆变控制电路(14)包括依次连接的第二减法器(141)、第二比例积分控制器(142)、第二正弦脉宽调制器(143)和第二反相器(144)，所述第二减法器(141)的两个输入端分别接入所述单相逆变器模块(10)的输出电压、以及所述单相逆变器模块(10)的设定电压，所述第二正弦脉宽调制器(143)的输出端与所述第三开关器件S3的控制端、以及所述第六开关器件S6的控制端连接，所述第二反相器(144)的输出端与所述第四开关器件S4的控制端、以及所述第五开关器件S5的控制端连接。
5.根据权利要求1所述的交流端口，其特征在于，所述逆变电路(11)包括第七开关器件S7和第八开关器件S8，所述第七开关器件S7的第一端与所述直流母线(20)的正极连接，所述第八开关器件S8的第二端与所述直流母线(20)的负极连接，所述第七开关器件S7的第二端与所述三相交流端口(30)通过耦合电感连接。
6.根据权利要求5所述的交流端口，其特征在于，所述逆变电路(11)还包括第七二极管D7和第八二极管D8，所述第七二极管D7的正极与所述第七开关器件S7的第二端连接，所述第七二极管D7的负极与所述第七开关器件S7的第一端连接，所述第八二极管D8的正极与所述第八开关器件S8的第二端连接，所述第八二极管D8的负极与所述第八开关器件S8的第二端连接。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的交流端口，其特征在于，所述单相逆变器模块(10)的数量为三个，三个所述单相逆变器模块(10)分别与所述三相交流端口(30)的三个端口连接。
8.根据权利要求7所述的交流端口，其特征在于，三个所述单相逆变器模块(10)的谐波电流控制电路(13)为同一个。
9.根据权利要求7所述的交流端口，其特征在于，同一个所述单相逆变器模块(10)中逆变电路(11)、谐波电流抑制电路(12)和谐波电流控制电路(13)集成在一起。
10.一种能量路由器，其特征在于，所述能量路由器包括如权利要求1～9任一项所述的交流端口。
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|---|---|---|---|
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|---|---|
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| CN204886680U (zh) * | 2015-06-08 | 2015-12-16 | 南京航空航天大学 | 一种二次谐波电流补偿器 |
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2019
- 2019-11-05 CN CN201911072829.1A patent/CN110880880A/zh active Pending
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