CN112542883B - 用于固态变压器结构且有通信功能的电力系统及通信模块 - Google Patents

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Abstract

公开一种用于固态变压器结构且有通信功能的电力系统及通信模块。该应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统包括：多个转换单元、总线路径、通信模块及控制模块。转换单元耦接总线路径与通信模块，且通信模块耦接控制模块。通信模块包括：多个耦合单元。耦合单元以一个耦合单元耦接另一个耦合单元的方式串联耦接，且每个耦合单元对应地耦接每个转换单元的控制单元，耦合单元中的串接头端的起始耦合单元耦接控制模块。

Description

用于固态变压器结构且有通信功能的电力系统及通信模块
技术领域
本发明涉及一种应用于固态变压器结构(架构)且具有通信功能的电力系统，特别涉及一种降低通信线路配线难度的电力系统。
背景技术
传统电网中的电力转换，是使用体积庞大、油浸式的传统变压器，近年来，许多单位致力于研究及开发固态变压器(solid-state transformer,SST)，其为将电力电子转换技术及电磁感应原理的高频电能变换器技术做结合，使电力转换模块操作在中高频，进而大幅缩小体积。由于固态变压器取代了电网中的传统变压器，其输入端需承受高电压，例如但不限于，三相交流电输入为Y接三相四线式的电网中，三相交流的线电压为13.2kV，每相电压为7.62kV。因此每一相固态变压器的输入端需要承受7.62kV的交流电压，再经由多组电力模块以输入端串联的方式接收交流电压。其中，各组电力模块分别具有各自的控制单元，再由一个系统控制模块与各电力模块中的控制单元做沟通。而控制模块与控制单元间会进行电气隔离。
现有的固态变压器应用，主要是以光纤线路耦接系统控制模块与各组电力模块中的控制器，以进行具有电气隔离的信号传递。但是，光纤具有物理强度差，非常容易折断以及建置成本高的缺点。将光纤设计在固态变压器的机柜中容易因机柜空间有限，且配线数量太多的情况下，造成光纤连接困难且易产生断裂的风险。
因此，如何设计出一种应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统，利用光耦合器搭配独特的配线方式进行固态变压器中各控制模块间的电气隔离，乃为本公开发明人所欲行研究的重要课题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统，以克服现有技术的问题。因此，本发明的电力系统包括：转换模块，包括多个转换单元，每个转换单元包括输入端、输出端及控制单元，且每个转换单元的输入端串联耦接交流电源。总线路径，耦接每个转换单元的输出端。通信模块，包括：多个耦合单元，每个耦合单元分别包括信号输入端与信号输出端，耦合单元以一个耦合单元的信号输出端耦接另一个耦合单元的信号输入端的方式串联耦接，且每个耦合单元的信号输出端对应地耦接每个转换单元的控制单元。及控制模块，耦接耦合单元中，串接头端的起始耦合单元的信号输入端。
为了解决上述问题，本发明提供一种应用于固态变压器结构的通信模块，以克服现有技术的问题。因此，本发明的通信模块，耦接转换模块中的多个转换单元与控制模块，且每个转换单元包括控制单元，通信模块包括：多个耦合单元，每个耦合单元分别包括信号输入端与信号输出端，耦合单元以一个耦合单元的信号输出端耦接另一个耦合单元的信号输入端的方式串联耦接，且每个耦合单元的信号输出端对应地耦接每个转换单元的控制单元。其中，耦合单元中，串接头端的起始耦合单元的信号输入端耦接控制模块。
为了能更进一步了解本发明为实现预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而说明书附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1为本发明三相电力系统的电路方框示意图；
图2为本发明应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统的电路方框示意图；
图3为本发明通信模块耦接转换模块第一实施例的电路方框示意图；及
图4为本发明通信模块耦接转换模块第二实施例的电路方框示意图。
附图标记说明：
1…三相电力系统
R、S、T…火线
N…中性点
100、100A、100B、100C…电力系统
10…转换模块
12-1～12-n…转换单元
122…输入端
124…输出端
126…控制单元
20…总线路径
30…转换电路
40…控制模块
50…通信模块
52-1～52-n…耦合单元
522…信号输入端
524…信号输出端
200…负载
Vin…三相交流电源
Vac、Vac1、Vac2、Vac3…交流电源
Vl…负载电源
Vbus…总线电源
Sc、Sc1～Scn…控制信号
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下：
请参阅图1为本发明三相电力系统的电路方框示意图。三相电力系统1包括3组应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统(100A、100B、100C)，且每组电力系统(100A、100B、100C)分别耦接三相交流电源Vin中其中一相的交流电源(Vac1、Vac2、Vac3)，以分别将交流电源(Vac1、Vac2、Vac3)转换为负载电源Vl对多个负载200供电。其中，三相交流电源Vin为中、高压电源系统，例如本说明书的实施例中，其线电压为13.2kV的交流电压，即每相电压为7.62kV。值得一提，于本发明中，交流电源Vin不限定为单相或三相，也不限定为Y接或Δ接的结构；而负载200可为各组电力系统各自接一个或多个负载200，也可以所有电力系统耦接一个共同负载200，端看电力系统供应电力及负载需求电力的搭配组合。图1仅为三相交流电源Vin为Y接的示意性范例。
请参阅图2为本发明应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统的电路方框示意图，再配合参阅图1。电力系统100包括转换模块10、总线路径20、转换电路30及控制模块40。总线路径20耦接转换模块10与转换电路30，且控制模块40耦接转换模块10。转换模块10接收交流电源Vac，且控制模块40控制转换模块10将交流电源Vac转换为总线电源Vbus或控制其转换模块的10电力调配等。转换电路30通过总线路径20接收总线电源Vbus，且将总线电源Vbus转换为负载电源Vl对负载200供电。值得一提，于本发明的一实施例中，电力系统(100A、100B、100C)也可由负载200反向馈电至交流电源Vac，其路径恰与充电相反，在此不再加以赘述。
具体而言，转换模块10包括多个转换单元12-1～12-n，且每个转换单元12-1～12-n包括输入端122、输出端124及控制单元126。每个转换单元12-1～12-n的输入端122串联耦接，且串接头端的起始转换单元12-1耦接交流电源Vac的火线(R、S、T，在此以R相为示意性的范例)，串接尾端的结尾转换单元12-n耦接中性点N。由于此连接结构的关系，使得转换单元12-1～12-n理想上为平均分配交流电源Vac。每个转换单元12-1～12-n的输出端124耦接总线路径20，且电力系统(100A、100B、100C)中的总线路径20(如图2所示)可耦接在同一点，或为各自独立的路径。
转换模块10可为固态变压器(Solid State Transformer；SST)，固态变压器是一种适于智能电网应用的新型智能变压器，其主要是取代传统高压电所使用体积庞大、油浸式的传统变压器。具体而言，传统变压器通常为了耐受低频的高压电，因此需要线径够粗的线材绕成变压器，方可耐受低频的高压电。因此传统变压器的体积庞大，无法应用于空间有限的环境之中。由于本发明的转换模块10内部具有输入端串接的多个转换单元12-1～12-n，且由于多个转换单元12-1～12-n工作在高频切换的环境，因此多个转换单元12-1～12-n的体积较小。故此，固态变压器的体积小于传统高压电所使用的变压器。其不仅可以实现电压转换(高压与低压之间的转换)、电器隔离、故障隔离等功能，还能够实现传统变压器所不能实现的频率变换(直流电与交流电之间的变换)。而且，固态变压器同时具有交流和直流环节，可实现直流低压、直流高压、交流低压、交流高压等状态之间的转换。因此在本发明交流电源Vac为中、高压电的场合(例如但不限于，4.8kV～35kV)，特别适合应用固态变压器做高压与低压之间的双向转换。如此，克服了传统的变压器只适用于单一频率、单向电压传递，而无法双向地转换电压的缺点。
控制模块40耦接每个转换单元12-1～12-n中的控制单元126，且通过控制信号Sc与控制单元126相互通信。控制单元126控制转换单元12-1～12-n将交流电源Vac转换为总线电源Vbus，且稳定转换单元12-1～12-n所提供的总线电源Vbus的电压值(或控制每个转换单元12-1～12-n将总线电源Vbus转换为交流电源Vac，且将交流电源Vac馈送回电网)。控制模块40通过控制信号Sc得知控制单元126目前的状况，且通过控制信号Sc控制控制单元126调整转换单元12-1～12-n的输出电流，使得每个转换单元12-1～12-n的输出电流均流或依需求调配。转换电路30内部可以包括单个或多个转换器(图未示)，且转换器可为直流/直流转换器或直流/交流转换器(根据负载200的需求而定)。转换电路30耦接总线路径20与负载200，其可耦接负载200的数量根据转换器的数量所决定。转换电路30可根据电力系统(100A、100B、100C)的电力配置将总线电源Vbus转换为负载电源Vl，且提供负载电源Vl至负载200(或将负载电源Vl转换为总线电源Vbus，且提供总线电源Vbus至转换模块10)。值得一提，于本发明的一实施例中，转换电路30可依实际需求而被省略。意即，当总线路径20所提供的总线电源Vbus可以作为负载运行的电力时，则转换电路30可以被省略，使得负载200直接耦接总线路径20。
现有的每个转换单元12-1～12-n中的控制单元126与控制模块40之间的通信，是采用一对一的方式，也就是每个控制单元126都会有一条信号线接到控制模块40。由于电力系统(100A、100B、100C)所接收的电压为几kV到几十kV等级，但控制模块40为人员所会接触到的控制设备，需处于安全电压(Safety Extra-Low Voltage；SELV)的工作环境。具体而言，安全电压的工作环境即为工作环境与地及其他系统作电气性分隔的特低压的工作环境，其电气隔离可避免发生单一的故障时引起人员触电的危险，其中，安全电压通常设定在例如但不限于50V以下的工作环境。为达到电气隔离，现有的作法，信号线会采用光纤线路做信号传输，但由于通信模块40与控制单元126为一对一接线，故假设转换单元有10台，就会需要配置10条光纤线路。为简化配线方式及空间利用，于本发明中，使用通信模块50进行中、高电压工作环境与安全电压工作环境的电气隔离。其中，通信模块50耦接控制模块40与每个转换单元12-1～12-n中的控制单元126。
当控制模块40欲控制控制单元126时，控制模块40提供控制信号Sc至通信模块50，且控制单元126由通信模块50分别取得自我所属的控制信号Sc1～Scn。当控制单元126欲回传信息至控制模块40时，控制单元126提供自我所属的控制信号Sc1～Scn至通信模块50，通信模块50将控制信号Sc1～Scn整合为控制信号Sc，且提供控制信号Sc至控制模块40。值得一提，于本发明的一实施例中，每个电力系统(100A、100B、100C)皆包含一个控制模块40，但不以此为限。换言之，三组电力系统(100A、100B、100C)也可整合为单一个控制模块40，使单一个控制模块40共同地控制三组电力系统(100A、100B、100C)。
请参阅图3为本发明通信模块耦接转换模块第一实施例的电路方框示意图，再配合参阅图1～图2。通信模块50包括多个耦合单元52-1～52-n，且每个耦合单元52-1～52-n分别包括信号输入端522与信号输出端524。耦合单元52-1～52-n以一个耦合单元52-1～52-n的信号输出端524耦接另一个耦合单元52-1～52-n的信号输入端522的方式串联耦接(意即，耦合单元52-1～52-n是以串联的方式耦接)，且每个耦合单元52-1～52-n的信号输出端524对应地耦接每个转换单元12-1～12-n的控制单元126。耦合单元52-1～52-n中，串接头端的起始耦合单元52-1的信号输入端522耦接控制模块40。
由于控制模块40在传输一次的控制信号Sc时，需供应给多个控制单元126，因此控制模块40在一单位时间需传送包括多个封包的控制信号Sc至起始耦合单元52-1。起始转换单元12-1中的控制单元126由起始耦合单元52-1取得自我所属的控制信号Sc1，且起始耦合单元52-1将包括剩余封包的控制信号Sc提供至耦合单元52-2，后续依此类推。由于控制信号Sc中，封包的数量等于转换单元12-1～12-n的数量，因此每个转换单元12-1～12-n的控制单元126皆有对应可接收的封包。值得一提，当控制单元126回传控制信号Sc1～Scn时，其传输方式相同，且路径恰巧相反，在此不再加以赘述。
进一步而言，耦合单元52-1～52-n为光耦合器。光耦合器的特点在于，通过光耦合传输的特性，使得光耦合器两端的信号电气隔离。由于电力系统(100A、100B、100C)通常设置在空间有限的机柜中。当使用同样有电气隔离功能的光纤线路时，由于机柜的空间有限及线路复杂之故，光纤线路的配置不易，且容易因为过度的弯折而断裂。由于本发明的通信模块50的线路配置是使用耦合单元52-1～52-n串联耦接的特性，使得配置耦接于控制模块40与控制单元126的线路减少，因此可以降低通信模块50配置于机柜中的复杂度。意即，本发明的控制模块40耦接至耦合单元52-1的通信线路虽然仍然使用光纤线路，但耦合单元52-1～52-n至转换模块10的通信线路可以不需要使用光纤线路，而是使用一般的导线即可。由于光耦合器在配置成本相较于光纤的线路低，因此除了可降低通信模块50配置于机柜中的复杂度及所占空间之外，还可以降低配置成本。
请参阅图4为本发明通信模块耦接转换模块第二实施例的电路方框示意图，再配合参阅图1～图2。本实施例与图3的第一实施例差异在于，结尾转换单元12-n的控制单元126耦接起始耦合单元52-1的信号输出端524。具体而言，当结尾转换单元12-n输入端122的其中一点耦接中性点N，火线R对中性点N的压差高达7.62kV。但是由于本发明的通信模块50的线路配置是使用耦合单元52-1～52-n串联耦接的特性，因此可以如同转换单元12-1～12-n般的平均分配总耐压值。总耐压值对应交流电源Vac的电压值，意即若火线R对中性点N的压差高达7.62kV时，总耐压值的设计必须要大于或等于7.62kV。假设共10组转换单元12-1～12-n，对应10组的耦合单元52-1～52-n，则每个耦合单元52-1～52-n的耐压值就必须设计大于等于762V。由于耦合单元52-1～52-n的耐压值越高，其电路成本也越高。因此当使用平均分配的方式进行耦合单元52-1～52-n的耐压值的选用时，则不需要每一个耦合单元52-1～52-n都要设计大于等于总耐压值。因此，可以达到大幅降低通信模块50建置成本的技术效果。
综上所述，本发明的实施例具有以下的优点与技术效果：
1、本发明的主要技术效果在于，利用通信模块中的耦合单元串联耦接的特殊接线方式，使得控制模块与电力系统之间的通信可以大量减少光纤线路的使用，以达到降低通信模块配置于机柜中的复杂度及降低配置成本的技术效果；
2、利用通信模块中的耦合单元将处于安全电压工作环境的控制模块与处于高电压工作环境的电力系统进行电气隔离，以避免人员有接触到高压电的风险；
3、由于通信模块中的耦合单元可以平均分配的方式进行耐压值的选用，因此当使用平均分配的方式进行耦合单元的耐压值的选用时，可以达到大幅降低通信模块建置成本的技术效果；及
4、由于转换模块使用固态变压器，使得转换单元特别适合做高压与低压之间的双向转换，因此克服了传统变压器只适用于单一频率、单向电压传递，而无法使用切换式转换器双向地转换电压的缺点。
而，以上所述，仅为本发明优选具体实施例的详细说明与附图，而本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包括于本发明的范围中，任何本领域技术人员在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在本公开的权利要求书中。此外，在权利要求书和说明书中提到的特征可以分别单独地或按照任何组合方式来实施。

Claims (9)

1.一种应用于固态变压器结构且具有通信功能的电力系统，包括：
一转换模块(10)，包括多个转换单元(12-n)，每个转换单元包括一输入端、一输出端及一控制单元(126)，且每个转换单元的该输入端串联耦接一交流电源，其中该交流电源的其中一端为一中性点，该些转换单元中，串接尾端的一结尾转换单元耦接该中性点；
一总线路径，耦接每个转换单元的该输出端；及
与该转换模块分离的一通信模块(50)，包括：
多个耦合单元(52-n)，每个耦合单元分别包括一信号输入端与一信号输出端，该些耦合单元以一个耦合单元的该信号输出端耦接另一个耦合单元的该信号输入端的方式串联耦接，且每个耦合单元的该信号输出端对应地耦接每个转换单元的该控制单元，其中，该耦合单元至该转换模块的通信线路使用非光纤线路的导线；及
一控制模块(40)，该些耦合单元中的一耦合单元为一起始耦合单元，该控制模块通过一条光纤线路耦接该起始耦合单元，该起始耦合单元为该信号输入端，其中该控制模块在一单位时间传送多个封包至该起始耦合单元，且该些封包的数量等于该些转换单元的数量，使每个转换单元的该控制单元对应的接收该些封包的其中之一封包。
2.如权利要求1所述的电力系统，其中该些转换单元中，串接头端的一起始转换单元的该控制单元耦接该起始耦合单元的该信号输出端，或者该结尾转换单元的该控制单元耦接该起始耦合单元的该信号输出端。
3.如权利要求1所述的电力系统，其中该些耦合单元平均分配对应该交流电源的电压值的一总耐压值。
4.如权利要求1所述的电力系统，其中该些耦合单元为一光耦合器，该光耦合器将处于一安全电压工作环境的该控制模块与处于一高电压工作环境的该控制单元电气隔离。
5.如权利要求1所述的电力系统，其中每个转换单元中的该控制单元分别控制每个转换单元将该交流电源转换为一总线电源，且提供该总线电源至该总线路径。
6.一种应用于固态变压器结构的通信模块(50)，耦接与该通信模块分离的一转换模块(10)中的多个转换单元(12-n)与一控制模块(40)，且每个转换单元包括一控制单元(126)，其中每个转换单元的输入端串联，且耦接一交流电源，该交流电源的其中一端为一中性点，且该些转换单元中，串接尾端的一结尾转换单元耦接该中性点，该通信模块包括：
多个耦合单元(52-n)，每个耦合单元分别包括一信号输入端与一信号输出端，该些耦合单元以一个耦合单元的该信号输出端耦接另一个耦合单元的该信号输入端的方式串联耦接，且每个耦合单元的该信号输出端对应地耦接每个转换单元的该控制单元，其中，该耦合单元至该转换模块的通信线路使用非光纤线路的导线；
其中，该些耦合单元中的一耦合单元为一起始耦合单元，该起始耦合单元的该信号输入端通过一条光纤线路耦接该控制模块，该控制模块在一单位时间传送多个封包至该起始耦合单元，且该些封包的数量等于该些转换单元的数量，使每个转换单元的该控制单元对应的接收该些封包的其中之一封包。
7.如权利要求6所述的通信模块，其中该些转换单元中，串接头端的一起始转换单元的该控制单元耦接该起始耦合单元的该信号输出端，或者该结尾转换单元的该控制单元耦接该起始耦合单元的该信号输出端。
8.如权利要求6所述的通信模块，其中该些耦合单元平均分配对应该交流电源的电压值的一总耐压值。
9.如权利要求6所述的通信模块，其中该些耦合单元为一光耦合器，该光耦合器将处于一安全电压工作环境的该控制模块与处于一高电压工作环境的该控制单元电气隔离。
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