CN111146808A - 一种多能源能量路由器电路拓扑结构和供电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多能源能量路由器电路拓扑结构和供电系统，所述拓扑结构包括小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。本实施例提供了新能源接口，便于新能源的接入，满足能源互联网就地消纳新能源的要求，同时为了克服新能源随机性、间歇性等问题，还提供了储能设备的接口，能够满足互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等要求。

Description

一种多能源能量路由器电路拓扑结构和供电系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，特别涉及一种多能源能量路由器电路拓扑结构和供电系统。
背景技术
新能源主要包括太阳能、风能、核能、生物质能、海洋能和地热能等，其中，太阳能和风能由于清洁等特点在新能源发电领域得到了越来越广泛的应用。但是新能源发电一般存在着随机性、间歇性、地理分散性和不可控性等特点，因此，为了缓解电网压力，大量的储能设备随之投入到电网中，能够为波动的能量流提供缓冲。随着储能技术和新能源发电技术的不断发展，传统的、单一的集中式发电逐渐开始向分布式与集中式并存的发电方式转变，电能的单向流动方式也渐渐变为多向流动方式。
随着电动汽车等新型不确定性负载的加入，使得电能的流动以及管理变得更为复杂。同时，随着电力改革和市场化的进一步推进，未来的电能交易将愈发趋向于自由和灵活。由于新能源发电渗透到配电终端，从前的终端用户可以在电源与负载之间自由切换，即对于每个电网终端，电能的流动方向将从单向流动变为双向流动，甚至为多向流动。传统的电力设备无法满足能源互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等要求。
发明内容
本发明实施例提供了一种多能源能量路由器电路拓扑结构和供电系统，以解决传统的电力设备无法满足能源互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等要求的问题。
一方面，本发明实施例提供了一种多能源能量路由器电路拓扑结构，该拓扑结构包括：小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。
结合一方面，在第一种可能的实现方式中，所述整流电路和所述逆变电路均为三电平NPC结构。
结合第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述三电平NPC结构包括：12个带有反并联二极管D1～D12的晶体管T1～T12和6个续流二极管Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1和Dc2，所述晶体管T1～T12的集电极分别与各自的所述反并联二极管D1～D12的阴极相连，T1～T12的发射极分别与各自的反并联二极管D1～D12的阳极相连；T2的发射极和T3的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口A，T6的发射极和T7的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口B，T10的发射极和T11的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口C，T1的集电极、T5的集电极和T9的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的正极D，T4的发射极、T8的发射极和T12的发射极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的负极E；Da1的阳极与Da2的阴极相连，Da1的阴极与T1的发射极、T2的集电极相连，Da2的阳极与T3的发射极、T4的集电极相连，Db1的阳极与Db2的阴极相连，Db1的阴极与T5的发射极、T6的集电极相连，Db2的阳极与T7的发射极、T8的集电极相连，Dc1的阳极与Dc2的阴极相连，Dc1的阴极与T9的发射极、T10的集电极相连，Dc2的阳极与T11的发射极、T12的集电极相连；Da1的阳极与Db1的阳极、Dc1的阳极相连并一同连接至直流母线侧两电容的连接点处。
结合一方面，在第三种可能的实现方式中，所述光伏端口通过DC/DC变换器与所述光伏阵列相连，所述储能端口通过DC/DC变换器与所述储能电池相连。
结合第三种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，所述DC/DC变换器包括：8个带有反并联二极管D13～D20的晶体管T13～T20，所述晶体管T13～T20的集电极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阴极相连，所述晶体管T13～T20的发射极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阳极相连，T13的集电极通过开关S1或旁路1与外部相连作为端口F，T16的发射极作为端口G，T17的集电极通过开关S2或旁路2与外部相连作为端口H，T20的发射极作为端口I。
结合第二种可能的实现方式或第四种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
结合一方面，在第六种可能的实现方式中，所述小水电输入端口与所述并网端口的直流侧相连，并共用一组串联电容。
第二方面，本发明实施例提供了一种供电系统，所述供电系统包括第一方面或第一种可能的实现方式至第六中可能的实现方式中的任意一种实现方式。
从上述实施例可以看出，拓扑结构包括小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。与现有技术相比，本实施例提供了新能源接口，便于新能源的接入，满足能源互联网就地消纳新能源的要求，同时为了克服新能源随机性、间歇性等问题，还提供了储能设备的接口，能够满足互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等要求。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明多能源能量路由器电路拓扑结构图；
图2为本发明的整流电路和逆变电流的三电平NPC结构图；
图3为本发明的DC/DC变化器电路结构图。
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、完整的描述，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作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。
参见图1，为本发明多能源能量路由器电路拓扑结构图，所述拓扑结构包括：小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。
本发明是适用于新能源接入的多端口能量路由器，共有四个端口：小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口。小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，降压变压器再与小水电机组相连，并网端口通过逆变电路与配电网相连。
其中，所述整流电路和所述逆变电路均为三电平NPC结构。即小水电输入端口与并网端口均采用了三电平NPC结构分别与降压变压器和配电网相连。该结构的特点是直流母线串联两个电容，每相桥臂有两个二极管跨接在晶体管上，为变换器输出提供了一个额外的电平状态，最终实现三电平输出。
小水电输入端口通过三电平NPC整流电路(三电平二极管中点钳位(NeutralPoint Clamped，NPC))与6.3kV/380V降压变压器相连，降压变压器再与小水电机组相连，小水电机组的机端输出电压为6.3kV，所以小水电输入端口的输入电压为380V，输出电压为直流750V，并且输出电压作为并网端口的输入电压。
并网端口通过三电平NPC逆变电路与配电网相连，其输入电压为直流750V，输出电压为三相交流380V。
具体的，如图2所示，所述三电平NPC结构包括：12个带有反并联二极管D1～D12的晶体管T1～T12和6个续流二极管Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1和Dc2，所述晶体管T1～T12的集电极分别与各自的所述反并联二极管D1～D12的阴极相连，T1～T12的发射极分别与各自的反并联二极管D1～D12的阳极相连；T2的发射极和T3的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口A，T6的发射极和T7的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口B，T10的发射极和T11的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口C，T1的集电极、T5的集电极和T9的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的正极D，T4的发射极、T8的发射极和T12的发射极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的负极E；Da1的阳极与Da2的阴极相连，Da1的阴极与T1的发射极、T2的集电极相连，Da2的阳极与T3的发射极、T4的集电极相连，Db1的阳极与Db2的阴极相连，Db1的阴极与T5的发射极、T6的集电极相连，Db2的阳极与T7的发射极、T8的集电极相连，Dc1的阳极与Dc2的阴极相连，Dc1的阴极与T9的发射极、T10的集电极相连，Dc2的阳极与T11的发射极、T12的集电极相连；Da1的阳极与Db1的阳极、Dc1的阳极相连并一同连接至直流母线侧两电容的连接点处。
小水电输入端口与并网端口的直流侧直接相连，并共用一组串联电容器，将其作为直流母线。直流母线侧电容起到稳定直流电压作用。对于小水电输入端口的NPC结构，其交流端口A、B、C分别连接至降压变压器二次侧三相，D、E分别连接至直流母线正、负极；对于并网端口的NPC结构，其D、E分别接至直流母线正负极，交流端口A、B、C接至配电网。
三电平NPC电路结构工作原理如下：以A相为例，当T1和T2(或D1和D2)导通，T3和T4关断时，交流端口A同O点的电压差为Ud/2；当T3和T4(或D3和D4)导通，T1和T2关断时，交流端口A同O点的电压差为-Ud/2；当T2、T3导通，T1、T4关断时，交流端口A同O点的电压差为0。实际在最后一种情况下，T2、T3不可能同时导通，哪一个管子导通取决于负载电流的方向。通过相电压之间的相减可以得到线电压，三电平电路交流侧线电压有±Ud、±Ud/2和0五种电平，通过适当控制，三电平电路的电压谐波可大大减小。三电平NPC结构交流侧接LC滤波电路改善电压波形。
从上述实施例可以看出，拓扑结构包括小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。与现有技术相比，本实施例提供了新能源接口，便于新能源的接入，满足能源互联网就地消纳新能源的要求，同时为了克服新能源随机性、间歇性等问题，还提供了储能设备的接口，能够满足互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等要求。
作为能源互联网的关键设备，能量路由器应具有以下特点：能够实现能量的双向流动甚至多向流动；能够提供交、直流接口，以确保具有“即插即用”功能；能够实时采集电网数据，为掌握系统的运行状态提供依据；能够应对电网电压不平衡、电网短路等故障以及完成低压穿越；能够像变压器一样具有变压功能。本申请具有以下优点：本申请所提出的多端口能量路由器拓扑结构提供了新能源接口，便于新能源的接入，满足能源互联网就地消纳新能源的要求，同时为了克服新能源随机性、间歇性等问题，还提供了储能设备的接口；小水电输入端口与并网端口的直流侧直接相连，并共用一组串联电容器，将其作为直流母线，与采用双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)作为中间隔离级的能量路由器拓扑结构相比，本发明的能量路由器拓扑结构更为简单，控制也更易实现；光伏端口与储能端口所采用的DC/DC变换器，既可以实现能量的单向流动又可以实现能量的双向流动，这得益于开关与旁路并联所组成的结构，这种结构使得该电路具有通用性，便于光伏阵列或储能电池的接入。
进一步地，光伏端口通过DC/DC变换器与光伏阵列相连，DC/DC变换器将光伏阵列产生的低压直流电变换为750V直流电接入直流母线。储能端口通过DC/DC变换器与储能电池相连，由于DC/DC变化器要对储能电池进行充放电，所以其能量流动方向是双向的，该DC/DC变换器为双向DC/DC变换器，四个端口共用一条直流母线，光伏端口与储能端口通过DC/DC变换器分别将光伏阵列和储能电池连接至直流母线，直流母线电压用Vdc表示。直流母线侧电容起到稳定直流电压作用。
其中，如图3所示，所述DC/DC变换器包括：8个带有反并联二极管D13～D20的晶体管T13～T20，所述晶体管T13～T20的集电极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阴极相连，所述晶体管T13～T20的发射极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阳极相连，T13的集电极通过开关S1或旁路1与外部相连作为端口F，T16的发射极作为端口G，T17的集电极通过开关S2或旁路2与外部相连作为端口H，T20的发射极作为端口I。通过控制绝缘栅双极型晶体管导通与关断，使拓扑结构工作在不同状态下，实现能量双向流动。DC/DC结构旁路电路中串入阻抗，从而减小冲击电流，实现平缓启动。
通过开关状态切换，启动时闭合旁路，在电路中串入阻抗，减小冲击电流，实现平缓启动。DC/DC变换器的两个端口一端接至外接物理源(储能电池或光伏)，另外一端接至直流母线。开关S1和旁路1控制端口F、G的能量流动方向是否为双向，同理，开关S2和旁路2控制端口H、I的能量流动方向是否为双向。
所述双向DC/DC变换器结构工作原理如下(设定电路中电感值和电容值很大)：
情况一：能量由FG端流向HI端：
当该结构用作BUCK变换器：状态1，T13、T16可控开关处于通态，FG点接入电源通过T13、T16可控开关以及T17、T20的二极管向HI点供电；状态2，关闭T13、T16可控开关，电感电流通过T14、T15、T17、T20二极管续流；当该结构用作BOOST变换器：状态1，T13、T16、T18、T19可控开关处于通态，FG点接入电源通过T13、T16、T18、T19可控开关向电感充电；状态2，T13、T16保持开通，关闭T18、T19可控开关，FG点接入电源和电感共同向右侧电容充电并向HI点提供能量。
情况二：能量由HI端流向FG端：
当该结构用作BUCK变换器：状态1，T17、T20可控开关处于通态，HI点接入电源通过T17、T20可控开关以及T13、T16二极管向FG点供电；状态2，关闭T17、T20可控开关，电感电流通过T13、T16、T18、T19二极管续流；当该结构用作BOOST变换器：状态1，T14、T15、T17、T20可控开关处于通态，FG点接入电源通过T14、T15、T17、T20可控开关向电感充电；状态2，关闭T14、T15可控开关，T17、T20保持开通，HI点接入电源和电感共同向右侧电容充电并向FG点提供能量。通过上述变换策略，在外接物理源电压过低或过高时对能量进行合理调配，实现能量的双向流动和升降压控制，满足光伏电压波动时光伏阵列的能量输入以及储能电池充放电过程的技术要求。
本申请还提供一种供电系统，所述供电系统包括上述的多能源能量路由器电路拓扑结构。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多能源能量路由器电路拓扑结构，其特征在于，所述拓扑结构包括：小水电输入端口、并网端口、光伏端口和储能端口，所述小水电输入端口通过整流电路与降压变压器相连，所述降压变压器与小水电机组相连，所述并网端口通过逆变电路与配电网相连，所述光伏端口与光伏阵列相连，所述储能端口与储能电池相连，所述小水电输入端口、所述并网端口、所述光伏端口和所述储能端口共用一条母线。
2.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述整流电路和所述逆变电路均为三电平NPC结构。
3.根据权利要求2所述的拓扑结构，其特征在于，所述三电平NPC结构包括：12个带有反并联二极管D1～D12的晶体管T1～T12和6个续流二极管Da1、Da2、Db1、Db2、Dc1和Dc2，所述晶体管T1～T12的集电极分别与各自的所述反并联二极管D1～D12的阴极相连，T1～T12的发射极分别与各自的反并联二极管D1～D12的阳极相连；T2的发射极和T3的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口A，T6的发射极和T7的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口B，T10的发射极和T11的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的交流端口C，T1的集电极、T5的集电极和T9的集电极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的正极D，T4的发射极、T8的发射极和T12的发射极相连接并作为所述三电平NPC结构的直流端口的负极E；Da1的阳极与Da2的阴极相连，Da1的阴极与T1的发射极、T2的集电极相连，Da2的阳极与T3的发射极、T4的集电极相连，Db1的阳极与Db2的阴极相连，Db1的阴极与T5的发射极、T6的集电极相连，Db2的阳极与T7的发射极、T8的集电极相连，Dc1的阳极与Dc2的阴极相连，Dc1的阴极与T9的发射极、T10的集电极相连，Dc2的阳极与T11的发射极、T12的集电极相连；Da1的阳极与Db1的阳极、Dc1的阳极相连并一同连接至直流母线侧两电容的连接点处。
4.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述光伏端口通过DC/DC变换器与所述光伏阵列相连，所述储能端口通过DC/DC变换器与所述储能电池相连。
5.根据权利要求4所述的拓扑结构，其特征在于，所述DC/DC变换器包括：8个带有反并联二极管D13～D20的晶体管T13～T20，所述晶体管T13～T20的集电极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阴极相连，所述晶体管T13～T20的发射极分别与各自的所述反并联二极管D13～D20的阳极相连，T13的集电极通过开关S1或旁路1与外部相连作为端口F，T16的发射极作为端口G，T17的集电极通过开关S2或旁路2与外部相连作为端口H，T20的发射极作为端口I。
6.根据权利要求3或5所述的拓扑结构，其特征在于，所述晶体管为绝缘栅双极型晶体管。
7.根据权利要求1所述的拓扑结构，其特征在于，所述小水电输入端口与所述并网端口的直流侧相连，并共用一组串联电容。
8.一种供电系统，其特征在于，所述供电系统包括权利要求1至6任意一项权利要求所述的多能源能量路由器电路拓扑结构。
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