CN111541257A - 一种基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法，属于智能微电网领域。具体包括：共同构成四端口电力电子高频变压器的第一全桥~第五全桥、全波整流桥、第一电容~第四电容和多绕组高频变压器T；以及低压直流输出单元、交流母线单元、第一开关~第三开关、交流负荷、发电单元和储能单元。四端口电力电子高频变压器将发电单元，储能单元，多电压级低压直流输出单元，交流母线单元进行耦合。采用上述结构，可以将能量提供给本地直流负载，也可将发电单元多余能量通过高频变压器馈入电网，同时可以有效地减少可再生能源系统的电压转换级数、规模和成本，并隔离转换端口。该微电网能够在多种并网和孤岛运行模式下运行。

Description

一种基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法
技术领域
本发明涉及家庭智能微电网领域，特别是一种基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法。
背景技术
微电网(Micro-Grid)也称微网，是由分布式电源，储能装置，能量转换装置，负载，监控和保护装置组成的小型发配电系统。微电网提出的目的在于实现分布式电源的灵活、高效应用，解决数量庞大、形式多样的分布式电源并网问题。
微网扮演中间环节连接电网与分布式源，将分布式源接入微网中，再将微网与电网连接，可以减少一些电能质量较差的的分布式源对电网的冲击。微网可以工作在并网状态下，由交流母线和电网之间传递能量，也可以工作在孤岛状态下，由微网中的单元单独给负载提供能量。
目前，世界上许多国家都开展了微电网研究，例如美国、日本、欧洲和中国，目前国外对微电网的研究正在展开，将要主要研究对象为微电网概念、微电网接入技术和微电网规划进行了分析、仿真、研究，对微电网系统控制和能源管理进行了研究。微电网能提高电力系统的服务质量，提高能源利用率，是提高能源利用环境意识、促进可持续发展的重要手段。
传统的微网结构如附图1所示，多个分布式源和储能装置均采用独立的变换器和支路，导致电压转换级数多，成本较高，规模较大，能量损耗大，而且不易对整体进行控制。
传统的家庭微网结构如附图2所示，家用电器中，冰箱，洗衣机，微波炉都属于家用大功率设备，都是直接从电网取电，而常用的手机，笔记本电脑，台灯等，都是需要将交流电变换成直流电，然后进行供电，电压等级变换也伴随着能量的消耗，且无法工作在孤岛状态下。
含分布式源的家庭微网结构如附图3所示，分布式源的引入，使得家庭微网工作在孤岛状态下成为可能，但含多种分布式源的微网结构，由于多种分布式源产生电能的质量不一致，存在间歇性的能量波动，如果直接馈入电网，会对电网造成冲击和威胁整个电网的稳定性，一般会在微网中增加储能单元，储能单元一般可分为两大类，一种是具有高功率密度的超级电容，动态响应较好，短时间的充放电功率大。另一种是目前使用较为广泛的高能量密度的蓄电池，常用于长时间的充放电，功率密度较低，负载的快速变化会影响电池的寿命。蓄电池用于长时间能量的自平衡，超级电容器用于短时间内浪涌功率的补偿。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法，该基于高频交流母线的住宅微电网及运行方法
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于高频交流母线的住宅微电网，包括多绕组高频变压器T、四个全桥、四个电容、发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路。
多绕组高频变压器T具有四个绕组，分别为N1、N2、N3和N4。其中，N1、N2、N3为并联的三个副边绕组，N4为原边绕组。
四个全桥分别为第一全桥H1、第二全桥H2、第三全桥H3和第四全桥H4。
四个电容分别为第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4。
第一全桥H1的交流侧连接副边绕组N1，直流侧并联第一电容C1后接发电单元。
第二全桥H2的交流侧连接副边绕组N2，直流侧并联第二电容C2后接储能单元。
第三全桥H3的交流侧连接副边绕组N3，直流侧并联第三电容C3后接低压直流输出单元。
第四全桥H4的交流侧连接原边绕组N4，直流侧并联第三电容C4后通过并联的三条交流母线接入支路连接交流母线。
三条交流母线接入支路分别为第一交流母线接入支路、第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路。
第一交流母线接入支路包括全波整流桥H6，全波整流桥H6的交流侧接交流母线单元，直流侧与第四全桥H4的直流侧连接。
第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路包括第五全桥H5、三个开关和交流负荷。三个开关分别为第一开关、第二开关和第三开关。第五全桥H5的直流侧与第四全桥H4的直流侧连接，第五全桥H5的交流侧连接第三开关，第三开关的输出端具有两条支路，一条支路为串联第二开关后接入交流母线单元，形成第二交流母线接入支路。另一条支路为依次串联交流负荷和第一开关后接入交流母线单元，形成第三交流母线接入支路。
每个全桥均为可控全桥。
发电单元为光伏PV，用于接收光能；光伏PV通过交错拓扑结构与第一全桥H1连接。
交错拓扑结构包括滤波稳压电容Cp、电感L1和电感L2。
光伏PV的输入端与第一全桥H1直流侧连接，光伏的输出端并联电感L1和电感L2后与第一全桥H1的交流侧连接；滤波稳压电容Cp并联在光伏PV的输入端和输出端之间。
低压直流输出单元包括多个Buck变换器，产生不同电压等级的直流输出，提供给家庭直流电气负载。
低压直流输出单元包括4个Buck变换器，产生24V、15V、12V和5V的直流输出。
一种基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，能在四种工作模式下自由切换。其中，四种工作模式分别为：
第一工作模式，通过第一交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤A1、电网功率传递至多绕组高频变压器T：当交流母线连接电网时，电网功率通过交流母线经过全波整流桥H6和第四全桥H4，传到多绕组高频变压器T。
步骤A2、储能单元充电：在多绕组高频变压器T的耦合作用下，电网功率通过第二全桥H2传递给储能单元。储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量。若SOC估算小于设定值，则给储能单元进行充电，若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电。
步骤A3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，电网功率还通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
第二工作模式，通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤B1、发电功率传递至多绕组高频变压器T：当发电单元的发电量充足，并工作在并网状态下时，发电功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T。
步骤B2，储能单元充电：储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量。若SOC估算小于设定值，则发电功率通过第二全桥H2传递给储能单元进行充电，若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电。
步骤B3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，发电功率通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
步骤B4、剩余能量馈入电网：当发电功率在给储能单元充电及家庭直流电气负载供电后，能量仍有剩余，则剩余的能量将通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路接入交流母线并馈入电网。
第三工作模式，发电单元参与的孤岛运行：当发电单元的发电量不足，且工作在孤岛状态下时，发电单元功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T，而储能单元只能工作在放电状态，将能量通过第二全桥H2传给多绕组高频变压器T，发电单元的发电能量以及储能单元的放电能量均通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
第四工作模式，无发电单元参与的孤岛运行：当发电单元停止发电，且工作在孤岛状态下时，储能单元只能工作在放电状态下，将放电能量通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式下，光伏通过交错拓扑结构与第一全桥H1连接。交错拓扑结构包括滤波稳压电容Cp、电感L1和电感L2。光伏PV的输入端与第一全桥H1直流侧的一端连接，光伏的输出端并联电感L1和电感L2后与第一全桥H1直流侧的另一端连接。滤波稳压电容Cp并联在光伏PV的输入端和输出端之间。电感L1和电感L2的加入，能降低高频电流波纹的影响。同时，利用滤波稳压电容Cp和第一电容C1之间的比值，控制达到最大功率点跟踪MPPT的过程，并能采用更小的输入分量，得到更宽的输入电压范围。
第一电容C1用作多绕组高频变压器T和第一全桥H1之间的能量缓冲；光伏、交错拓扑结构和第一全桥H1之间形成光伏电压控制回路，利用光伏侧与网侧之间移相角作为控制变量，调整副边绕组N1的母线电压；由于第一全桥H1中开关管的占空比随光伏输出电压和副边绕组N1母线电压的幅值而变化，故而通过调节第一全桥H1中开关管的占空比，进而保证光伏输出电压，以保持MPPT。
在发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路的交流母线端口处均设置有移相角。通过对各端口处移相角的设置或调节，实现整个住宅微电网的能量流动。若交流母线连接电网时，储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于与电网连接的交流母线端口。若发电单元能量充足时，则储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于交流母线端口。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明有效的将交流母线，直流母线，交直流变换器，直流Buck变换器，发电单元，储能单元通过一条共用磁链连接起来，从而能有效地减少可再生能源系统的电压转换级数、规模和成本，并隔离转换端口。所得到的拓扑利用集中的系统级控制，从而形成更快和更灵活的能量管理。
2、本发明通过全控型电力电子器件的选择和多绕组高频变压器T的使用，实现双向的功率流动。
3、本发明通过直流Buck变换器，将低压直流电压母线电压转换为相应的直流电压等级5V、12V、15V、24V直流输出，方便供给本地直流负载进行使用。
4、馈入端通过两条交流母线接入支路，每一条交流母线接入支路均能接通和断开电路，从而保证微网与电网之间的可靠性，既能保证大电网供电时的可靠性，也能保证分布式源产生的电能馈入电网时，利用交流负荷减小大冲击。
5、由于发电单元一般采用光伏(PV)，在光伏端口引入的交错拓扑结构，能降低高频电流纹波的影响，利用两个电容比的控制策略，得到了更稳定的最大功率点跟踪(MPPT)，采用更小的分量，得到更宽的输入电压范围。
6、电池储能技术家庭应用中，锂电池相对于其它电池，具有充电速度快，输出高效。锂电池可在最大电流下快速充电，并在短时间内充满电。在功率输出过程中，内部阻抗小，输出功率高。使用寿命长，无记忆。锂电池的循环寿命是铅酸蓄电池的3倍以上，可达1000-2000倍。锂电池可随时免费充电和放电，且不影响使用寿命。
7、本发明将市电与新能源发电单元，储能单元和直流母线紧密的联系到一起，将能量提供给本地负载，与基于多个换流器的微电网共用一条电力母线相比，采用多端口换流器共用一条磁母线可以有效地减少可再生能源系统的电压转换级数、规模和成本，并隔离转换端口。所得到的拓扑利用集中的系统级控制，从而形成更快和更灵活的能量管理，并且提出的微电网能够在多种并网和孤岛运行模式下运行。并通过相应的自动化装置的接入也保证了家庭微电网接入电网的可靠性。
附图说明
图1显示了现有技术中的一种微网结构图。
图2显示了现有技术中的一种家庭微网结构图。
图3显示了现有技术中的一种仅含分布式源的微网结构图。
图4显示了本发明一种基于高频交流母线的住宅微电网的总概括图。
图5显示了本发明一种基于高频交流母线的住宅微电网的详细电路图。
图6显示了本发明中发电单元的具体拓扑结构图。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图4和图5所示，一种基于高频交流母线的住宅微电网，包括多绕组高频变压器T、四个全桥、四个电容、发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路。
多绕组高频变压器T具有四个绕组，分别为N1、N2、N3和N4。其中，N1、N2、N3为并联的三个副边绕组，N4为原边绕组。
四个全桥分别为第一全桥H1、第二全桥H2、第三全桥H3和第四全桥H4。
每个全桥均优选为可控全桥，可选用性能较好的IGBT。每个全桥均优选包括四个开关管，两两串联后再并联。其中，
第一全桥H1包括：开关管S1～S4。其中，开关管S1和S2串联后形成第一桥臂支路；开关管S3和S4串联后形成第二桥臂支路；第一桥臂和第二桥臂支路并联。
第二全桥H2包括：开关管S5～S8，连接方式同第一全桥H1。
第三全桥H3包括：开关管S9～S12，连接方式同第一全桥H1。
第四全桥H1包括：开关管S13～S16，连接方式同第一全桥H1。
四个电容分别为第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4，均优选为稳压滤波电容。
第一全桥H1的交流侧连接副边绕组N1，具体为：多绕组变压器T中副边绕组N1的同名端连接到开关管S3和S4之间的第二桥臂支路上，异名端连接到开关管S1和S2之间的第一桥臂支路上。
第一全桥H1的直流侧并联第一电容C1后接发电单元。发电单元一般使用清洁能源光伏，优选为光伏PV，用于接收光能。光伏PV优选通过交错拓扑结构与第一全桥H1的直流侧连接。
如图5所示，交错拓扑结构优选包括滤波稳压电容Cp、电感L1和电感L2。
具体拓扑电路为：
光伏PV的输入端与第一全桥H1直流侧连接，光伏的输出端并联电感L1和电感L2后与第一全桥H1的交流侧连接；滤波稳压电容Cp并联在光伏PV的输入端和输出端之间。
电感L1和电感L2的加入，能降低高频电流波纹的影响。同时，利用滤波稳压电容Cp和第一电容C1之间的比值，控制达到最大功率点跟踪MPPT的过程，并能采用更小的输入分量，得到更宽的输入电压范围。
上述第一电容C1用作多绕组高频变压器T和第一全桥H1之间的能量缓冲；光伏、交错拓扑结构和第一全桥H1之间形成光伏电压控制回路，利用光伏侧与网侧之间移相角作为控制变量，调整副边绕组N1的母线电压；由于第一全桥H1中开关管的占空比随光伏输出电压和副边绕组N1母线电压的幅值而变化，故而通过调节第一全桥H1中开关管的占空比，进而保证光伏输出电压，以保持MPPT。
第二全桥H2的交流侧连接副边绕组N2，具体为：多绕组变压器T中副边绕组N2的同名端连接到开关管S7和S8之间的第四桥臂支路上，异名端连接到开关管S5和S6之间的第三桥臂支路上。
第二全桥H2的直流侧并联第二电容C2后接储能单元，储能单元主要为蓄电池，通过放电将能量提供给直流母线。蓄电池，进一步优选为能够快充和输出高效的磷酸铁锂蓄电池。
储能单元通过监测电池的电流、电压，控制单体电池的充放电均衡，观测电池充放电电流及温度，估算电池的剩余电量(State of Charge,SOC)，与总线进行实时通讯，协调控制和优化电量分配，从而达到控制储能单元工作在放电还是充电状态。
SOC即荷电状态，主要用于表示电池的剩余电量的比例。它在数值上被定义为电池的剩余容量与电池的额定容量的比值。
Figure BDA0002467414770000071
Qu表示电池中剩余容量，Qe是电池按照标准放电电流进行放电时所具有的容量，即额定容量。
第三全桥H3的交流侧连接副边绕组N3，具体为：多绕组变压器T中副边绕组N3的同名端连接到开关管S11和S12之间的第六桥臂支路上，异名端连接到开关管S9和S10之间的第五桥臂支路上。
第三全桥H3的直流侧并联第三电容C3后接低压直流输出单元。低压直流输出单元包括多个Buck变换器，产生不同常用直流电压等级的直流输出，提供给家庭直流电气负载。本实施例中，优选包括4个Buck变换器，产生24V、15V、12V和5V的直流输出，来供应家庭常用直流电气负荷。
第四全桥H4的交流侧连接原边绕组N4，具体为：多绕组变压器T中原边绕组N4的同名端连接到开关管S15和S16之间的第八桥臂支路上，异名端连接到开关管S14和S14之间的第七桥臂支路上。
第四全桥H4的直流侧并联第三电容C4后通过并联的三条交流母线接入支路连接交流母线。
三条交流母线接入支路分别为第一交流母线接入支路、第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路。
第一交流母线接入支路包括全波整流桥H6，全波整流桥H6的交流侧接交流母线单元，直流侧与第四全桥H4的直流侧连接。
上述全波整流桥H6优选为二极管组成的整流桥，包括二极管D1～D4。其中，二极管D1和D2串联后形成第十一桥臂支路；二极管D3和D4串联后形成第十二桥臂支路。交流母线的两根接入线分别连接在D1和D2之间的第十一桥臂支路上和D3和D4之间的第十二桥臂支路上。
第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路包括第五全桥H5、三个开关和交流负荷。三个开关分别为第一开关、第二开关和第三开关。
第五全桥H5包括：开关管S17～S20，连接方式同第一全桥H1。
第五全桥H5的直流侧与第四全桥H4的直流侧通过直流母线连接；第五全桥H5的交流侧连接第三开关，具体为：第三开关交流侧的两根接入线分别连接在S17和S18之间的第九桥臂支路上和S19和S20之间的第十桥臂支路上。
第三开关的输出端具有两条支路，一条支路为串联第二开关后接入交流母线单元，形成第二交流母线接入支路。另一条支路为依次串联交流负荷和第一开关后接入交流母线单元，形成第三交流母线接入支路。馈入端通过多组开关，也可以接通和断开电路，保证微网与电网之间的可靠性，既能保证大电网供电时的可靠性，也能保证分布式源产生的电能馈入电网时，利用交流负荷减小大冲击。
本发明的微电网共用一条交流磁链，能够将两侧负载进行隔离，大大增加了可靠的运行。
在住宅微电网中，传统上使用能量控制箱通过自动控制一些可移动负载来控制家庭内部的能源消耗。这使得住宅用户能够根据主电网的时间定价和新服务调整其能耗。另一方面，通过将负荷转移到非高峰时段，使用能量控制箱提高了主电网的功率效率和质量。最新的能源管理系统旨在以最佳方式将微电网内可再生能源的发电量与负荷需求相匹配，同时客户干预最少。客户可以通过本地网络控制家用智能电器，并通过使用更高级别的通信网络(蜂窝网络和4G技术)与区域智能电网控制中心通信，以使其操作适应要求。能源管理目标被选择为最小化微电网运行成本，使电力市场价格的收入最大化，尽量减少微电网对主电网的影响，改善电能质量、安全性和可靠性。
通过将模糊控制引入各种混合可再生能源系统中的监督控制和能源管理单元，在考虑电池荷电状态(SOC)的情况下，使用一个模糊的基础解复用同一个微电网来最小化电网的功率波动。
当光伏的能量不足提供负载运行时，电池仅工作在放电状态下，通过能量管理系统，负载直流母线的能量由电池和光伏共同提供，以保证整个系统能够正常运行。
整体的能量流动，通过设置各端口移相角进行能量流动。若交流母线连接电网时，此时设置储能端口和低压直流输出的移相角落后于与电网连接的交流母线端口。若发电单元能量充足时，则让储能端口，直流负载端口移相角落后于交流母线端口。
在发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路的交流母线端口处均优选设置有移相角。通过对各端口处移相角的设置或调节，实现整个住宅微电网的能量流动。若交流母线连接电网时，储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于与电网连接的交流母线端口。若发电单元能量充足时，则储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于交流母线端口。
另外，本发明的储能装置能够补偿分布式发电源的间歇性功率波动，提高电能质量和整个系统的稳定性。并且当家庭微网工作在孤岛状态下时，储能单元也是系统内能量平衡和功率波动平抑的重要支撑。
进一步，本发明能够用来平衡新能源装置发电时功率的随机性波动，同时也要确保整个微网相对于电网呈现纯阻性和分时恒功率，保证了微网与电网相接时的稳定性。采用本发明的结构，将电网，新能源发电单元，储能单元紧密的联系到一起，将能量提供给本地负载，与基于多个换流器的微电网共用一条电力母线相比，采用多端口换流器共用一条磁母线可以有效地减少可再生能源系统的电压转换级数、规模和成本，并隔离转换端口。
一种基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，能在四种工作模式下自由切换。其中，四种工作模式分别为：
第一工作模式，通过第一交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤A1、电网功率传递至多绕组高频变压器T：当交流母线连接电网时，电网功率通过交流母线经过全波整流桥H6和第四全桥H4，传到多绕组高频变压器T。
步骤A2、储能单元充电：在多绕组高频变压器T的耦合作用下，形成两侧的隔离，并通过匝数比和移相角的控制将能量分配到其它几个绕组，电网功率通过第二全桥H2传递给储能单元。
储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量。若SOC估算小于设定值，则给储能单元进行充电，如果电池充电结束，则通过总线得到相应的SOC系数反馈，调节交流母线侧与储能侧之间的移相角，停止对储能单元的供电。若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电。
步骤A3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，电网功率还通过第三全桥H3和低压直流输出单元(多组Buck变换器)，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电(如家庭设备常用的24V，15V，12V，5V等)，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
在第一工作模式和下述的第二工作模式以及第三工作模式下，光伏优选通过交错拓扑结构与第一全桥H1的直流侧连接。电感L1和电感L2的加入，能降低高频电流波纹的影响。同时，利用滤波稳压电容Cp和第一电容C1之间的比值，控制达到最大功率点跟踪MPPT的过程，并能采用更小的输入分量，得到更宽的输入电压范围。
第二工作模式，通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤B1、发电功率传递至多绕组高频变压器T：当发电单元的发电量充足(如光照充足等)，并工作在并网状态下时，发电功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T。
步骤B2，储能单元充电：储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量。若SOC估算小于设定值，则发电功率通过第二全桥H2传递给储能单元进行充电，若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电。
步骤B3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，发电功率通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
步骤B4、剩余能量馈入电网：当发电功率在给储能单元充电及家庭直流电气负载供电后，能量仍有剩余，则剩余的能量将通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路接入交流母线并馈入电网，利用多组开关保证工作时的可靠性，利用交流负荷减小大的电压冲击。
第三工作模式，发电单元参与的孤岛运行：当发电单元的发电量不足(如光照不足等)，且工作在孤岛状态下时，发电单元功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T，而储能单元只能工作在放电状态，将能量通过第二全桥H2传给多绕组高频变压器T，发电单元的发电能量以及储能单元的放电能量均通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
第四工作模式，无发电单元参与的孤岛运行：当发电单元停止发电(如没有光照)，且工作在孤岛状态下时，储能单元只能工作在放电状态下，将放电能量通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：包括多绕组高频变压器T、四个全桥、四个电容、发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路；
多绕组高频变压器T具有四个绕组，分别为N1、N2、N3和N4；其中，N1、N2、N3为并联的三个副边绕组，N4为原边绕组；
四个全桥分别为第一全桥H1、第二全桥H2、第三全桥H3和第四全桥H4；
四个电容分别为第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4；
第一全桥H1的交流侧连接副边绕组N1，直流侧并联第一电容C1后接发电单元；
第二全桥H2的交流侧连接副边绕组N2，直流侧并联第二电容C2后接储能单元；
第三全桥H3的交流侧连接副边绕组N3，直流侧并联第三电容C3后接低压直流输出单元；
第四全桥H4的交流侧连接原边绕组N4，直流侧并联第三电容C4后通过并联的三条交流母线接入支路连接交流母线。
2.根据权利要求1所述的基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：三条交流母线接入支路分别为第一交流母线接入支路、第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路；
第一交流母线接入支路包括全波整流桥H6，全波整流桥H6的交流侧接交流母线单元，直流侧与第四全桥H4的直流侧连接；
第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路包括第五全桥H5、三个开关和交流负荷；三个开关分别为第一开关、第二开关和第三开关；第五全桥H5的直流侧与第四全桥H4的直流侧连接，第五全桥H5的交流侧连接第三开关，第三开关的输出端具有两条支路，一条支路为串联第二开关后接入交流母线单元，形成第二交流母线接入支路；另一条支路为依次串联交流负荷和第一开关后接入交流母线单元，形成第三交流母线接入支路。
3.根据权利要求1或2所述的基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：每个全桥均为可控全桥。
4.根据权利要求1所述的基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：发电单元为光伏PV，用于接收光能；光伏PV通过交错拓扑结构与第一全桥H1连接；
交错拓扑结构包括滤波稳压电容Cp、电感L1和电感L2；
光伏PV的输入端与第一全桥H1直流侧连接，光伏的输出端并联电感L1和电感L2后与第一全桥H1的交流侧连接；滤波稳压电容Cp并联在光伏PV的输入端和输出端之间。
5.根据权利要求1所述的基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：低压直流输出单元包括多个Buck变换器，产生不同电压等级的直流输出，提供给家庭直流电气负载。
6.根据权利要求5所述的基于高频交流母线的住宅微电网，其特征在于：低压直流输出单元包括4个Buck变换器，产生24V、15V、12V和5V的直流输出。
7.一种基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，其特征在于：能在四种工作模式下自由切换；其中，四种工作模式分别为：
第一工作模式，通过第一交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤A1、电网功率传递至多绕组高频变压器T：当交流母线连接电网时，电网功率通过交流母线经过全波整流桥H6和第四全桥H4，传到多绕组高频变压器T；
步骤A2、储能单元充电：在多绕组高频变压器T的耦合作用下，电网功率通过第二全桥H2传递给储能单元；储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量；若SOC估算小于设定值，则给储能单元进行充电，若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电；
步骤A3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，电网功率还通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用；
第二工作模式，通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路的并网，具体包括如下步骤：
步骤B1、发电功率传递至多绕组高频变压器T：当发电单元的发电量充足，并工作在并网状态下时，发电功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T；
步骤B2，储能单元充电：储能单元通过SOC估算，判断自身的电池余量；若SOC估算小于设定值，则发电功率通过第二全桥H2传递给储能单元进行充电，若SOC估算大于等于设定值，则停止给储能端口进行充电；
步骤B3、家庭直流电气负载供电：在给储能单元充电的同时，发电功率通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用；
步骤B4、剩余能量馈入电网：当发电功率在给储能单元充电及家庭直流电气负载供电后，能量仍有剩余，则剩余的能量将通过第二交流母线接入支路和第三交流母线接入支路接入交流母线并馈入电网；
第三工作模式，发电单元参与的孤岛运行：当发电单元的发电量不足，且工作在孤岛状态下时，发电单元功率通过第一全桥H1传递给多绕组高频变压器T，而储能单元只能工作在放电状态，将能量通过第二全桥H2传给多绕组高频变压器T，发电单元的发电能量以及储能单元的放电能量均通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用；
第四工作模式，无发电单元参与的孤岛运行：当发电单元停止发电，且工作在孤岛状态下时，储能单元只能工作在放电状态下，将放电能量通过第三全桥H3和低压直流输出单元，将直流电压变换为家庭设备常用的不同电压等级的低压直流输出电，从而直接供家庭直流电气负载进行使用。
8.根据权利要求7所述的基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，其特征在于：在第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式下，光伏通过交错拓扑结构与第一全桥H1连接；交错拓扑结构包括滤波稳压电容Cp、电感L1和电感L2；光伏PV的输入端与第一全桥H1直流侧的一端连接，光伏的输出端并联电感L1和电感L2后与第一全桥H1直流侧的另一端连接；滤波稳压电容Cp并联在光伏PV的输入端和输出端之间；电感L1和电感L2的加入，能降低高频电流波纹的影响；同时，利用滤波稳压电容Cp和第一电容C1之间的比值，控制达到最大功率点跟踪MPPT的过程，并能采用更小的输入分量，得到更宽的输入电压范围。
9.根据权利要求8所述的基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，其特征在于：第一电容C1用作多绕组高频变压器T和第一全桥H1之间的能量缓冲；光伏、交错拓扑结构和第一全桥H1之间形成光伏电压控制回路，利用光伏侧与网侧之间移相角作为控制变量，调整副边绕组N1的母线电压；由于第一全桥H1中开关管的占空比随光伏输出电压和副边绕组N1母线电压的幅值而变化，故而通过调节第一全桥H1中开关管的占空比，进而保证光伏输出电压，以保持MPPT。
10.根据权利要求8所述的基于高频交流母线的住宅微电网的运行方法，其特征在于：在发电单元、储能单元、低压直流输出单元和三条交流母线接入支路的交流母线端口处均设置有移相角；通过对各端口处移相角的设置或调节，实现整个住宅微电网的能量流动；若交流母线连接电网时，储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于与电网连接的交流母线端口；若发电单元能量充足时，则储能单元端口和低压直流输出单元端口的移相角落后于交流母线端口。
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