CN112564155B - 一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置，涉及电力电子电能变换技术领域。该装置包括三相双向整流模块、三相STC(Switched Tank Converter)非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块、单相全桥双向逆变模块、高压直流母线和低压直流母线；三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥整流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块均有正向导通、逆向导通和不导通三种能量流动工作模式，根据各模块能量流动工作模式不同，形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式。

Description

一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置

技术领域

本发明属于电力电子电能变换技术领域，具体涉及一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置。

背景技术

可再生能源高速发展、信息智能技术深度融合以及交直流混合微网用能的多样化需求使得能源生产、分配及消费形式均出现显著变化，呈现出时空异步、多能互补以及智物协同的新趋势，这使得交直流混合微网的平衡、协同、管控必须与之相适应。如何在需求侧通过源网荷储协同、多种能源互补、信息能源耦合实现交直流混合微网的能源绿色高效利用成为全球广为关注的焦点问题。电能路由器是实现微网与配电网的信息交换与电能共享的核心电力电子装置，对该装置的合理设计可以提升分布式发电设备的性能，提高交直流混合微网的稳定性，加强对配电网的支撑作用，提高发电的效率，有效降低资源消耗。

现有电力变换装置的拓扑结构，多数是以传统变换器为主，但其体积大、过于笨重，且负载侧电压易受负载影响，等负载发生较大变化时，会导致负载端电压波动较大。三相STC(Switched Tank Converter)非隔离变换模块负载端电压由电路结构决定，大大简化了控制策略，提高系统的稳定性，每周期6个工作模态，比传统的三相逆变模块有更少的开关动作使得输出电能谐波含量小，在谐振腔的作用下开关管可以达到完全软开通和软关断，极大降低了开关损耗，使电能变换效率大大提高，电压电流应力小，具有可持续性和环保性。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置。

本发明技术方案如下：

一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置，包括三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块、单相全桥双向逆变模块、高压直流母线和低压直流母线；

所述的三相双向整流模块的输入端接入10KV配电网，三相双向整流模块的输出端连接所述高压直流母线，所述全桥直流双向变换模块的输入端和所述三相STC非隔离变换模块的输入端分别连接高压直流母线，全桥直流双向变换模块的输出端连接直流负载、分布式直流发电设备或储能设备，三相STC非隔离变换模块的输出端分别连接所述低压直流母线，所述三相谐振软开关双向逆变模块的输入端和单相全桥双向逆变模块的输入端连接低压直流母线，三相谐振软开关双向逆变模块的输出端连接三相交流负载、分布式三相交流发电设备或储能设备，单相全桥双向逆变模块的输出端连接单相交流负载、分布式单相交流发电设备或储能设备；

所述的三相STC非隔离变换模块，包括谐振腔模块、开关转换组模块以及控制电路；所述的开关转换组模块的输入端连接高压直流母线，谐振腔模块连接于开关转换组模块；开关转换组模块的输出端连接低压直流母线，高压直流电与低压直流电的电压转换比为(n+1)：1，(n＝1，2，3…)；谐振腔模块包括3n个谐振电容和3n个谐振电感，开关转换组模块包括6n个高频开关管(n＝1，2，3…)；

所述控制电路包括控制器、驱动模块、电源模块和采样模块；所述的采样模块的输入端分别连接高压直流母线和低压直流母线，采样模块的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接三相STC非隔离变换模块的开关转换组模块，电源模块分别连接至控制器、驱动模块、采样模块；

所述三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块均有正向导通、逆向导通和不导通三种电能流动工作模式，其中，能量从输入端流向输出端为正向导通，能量从输出端流向输入端为逆向导通，没有能量流经为不导通，根据各模块的电能流动工作模式不同，形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式，能量从输入端流向输出端为正向导通，用“1”表示；能量从输出端流向输入端为逆向导通，用“-1”表示；没有能量流经为不导通，用“0”表示；

本发明的有益效果是：

本发明中提出的一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置，能够提供即插即用的电能，本装置通过电力电子变换技术实现电力系统中的电压变换和能量传递，与传统变压器相比，它具有体积小、重量轻、空载损耗小、不需要绝缘油等优点，不仅有变换电压、传递能量的作用，而且兼具限制故障电流、无功功率补偿、改善电能质量以及为各种设备提供标准化接口等多种功能；本发明中提出的装置前端采用三相双向整流模块与传统单相整流固态变压器相比容量更大，输出电能谐波更少，本装置中提出的三相STC非隔离变换模块，不包含传统变压器，其工作在10KHZ以上的高频部分，使得电路的体积、重量大大降低，尤其是效率相比以往的全桥式变换器结构得到大大提升；三相STC非隔离变换模块，电路结构决定负载端电压，大大简化了控制策略，提高系统的稳定性，每周期6个工作模态，比传统的三相逆变模块有更少的开关动作使得输出电能谐波含量进一步减少，在谐振腔的作用下高频开关管可以达到完全软开通和软关断，极大降低了开关损耗，使电能变换效率大大提高，电压电流应力小，具有可持续性和环保性；区别于传统变换器并网时，电能只从低压直流母线处将微网并入电网，本装置提出了从各能源终端将微网电源并入电网，能量转换形式更加多样化，从根本上实现了能量的双向流动。本装置多模块拓扑结构决定其能够提供多种电压等级电能，满足多种负载与储能设备的需求。

附图说明

图1为本发明具体实施方式的应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的结构框图；

图2为本发明具体实施方式的应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的电路原理图；

其中，1-三相双向整流模块，2-三相STC非隔离变换模块，3-单相全桥双向逆变模块，4-全桥直流双向变换模块，5-三相谐振软开关双向逆变模块；

图3为本发明具体实施方式的应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置内五个模块电能流动方式示意图；

图4为本发明具体实施方式的三相双向整流模块的电路原理图；

图5本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块的电路原理图；

其中，6-谐振腔模块，7-开关转换组模块；

图6为本发明具体实施方式的全桥直流双向变换模块的电路原理图；

图7本发明具体实施方式的三相谐振软开关双向逆变模块的电路原理图；

其中，8-三相谐振软开关双向逆变器，9-LC滤波器；

图8本发明具体实施方式的单相全桥双向逆变模块的电路原理图；

其中，10-LC滤波器，11-单相全桥双向逆变器；

图9本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块的控制电路示意图；

图10本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块的控制电路的采样模块电路图；

图11本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块的控制电路的电压采样原理框图；

图12本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块的控制电路的电流采样原理框图；

图13本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块控制的流程图；

图14本发明具体实施方式的三相STC非隔离变换模块仿真效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式加以详细的说明。

一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置，如图1所示，包括三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块、单相全桥双向逆变模块、高压直流母线和低压直流母线；

本实施例中高压直流母线为可调高压直流电压，高压直流母线约为1.8KV，低压直流母线电压为高压直流母线电压的1/(n+1)(n＝1，2，3…)，本实施方式中，取n＝3，该低压直流母线约为600V。

所述的三相双向整流模块的输入端接入10KV配电网，三相双向整流模块的输出端连接所述高压直流母线，所述全桥直流双向变换模块的输入端和所述三相STC非隔离变换模块的输入端分别连接高压直流母线，全桥直流双向变换模块的输出端连接直流负载、分布式直流发电设备或储能设备，三相STC非隔离变换模块的输出端分别连接所述低压直流母线，所述三相谐振软开关双向逆变模块的输入端和单相全桥双向逆变模块的输入端连接低压直流母线，三相谐振软开关双向逆变模块的输出端连接三相交流负载、分布式三相交流发电设备或储能设备，单相全桥双向逆变模块的输出端连接单相交流负载、分布式单相交流发电设备或储能设备；

应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的电路原理图如图2所示，三相双向整流模块1的输入端接入10KV配电网，三相双向整流模块1的输出端连接1.8KV高压直流母线，全桥直流双向变换模块4的输入端和三相STC非隔离变换模块2的输入端分别连接1.8KV高压直流母线，全桥直流双向变换模块4的输出端连接直流负载、分布式直流发电设备或储能设备，三相STC非隔离变换模块2的输出端分别连接600V低压直流母线，三相谐振软开关双向逆变模块5的输入端和单相全桥双向逆变模块3的输入端连接600V低压直流母线，三相谐振软开关双向逆变模块5的输出端连接三相交流负载、分布式三相交流发电设备或储能设备，单相全桥双向逆变模块3的输出端连接单相交流负载、分布式单相交流发电设备或储能设备。

三相双向整流模块1，用于实现10KV配电网和高压直流电之间的相互电力变换，根据不同的控制方式实现其工作在整流工作模式或者逆变工作模式，实现电能在10KV配电网和1.8KV高压直流母线之间的双向电能流动。

例如，工作在整流状态时，三相双向整流模块1将配电网输入的10KV，50HZ交流电通过三相双向整流模块1转换成高压直流电，并维持配电网输入电流正弦波形且与配电网输入电压保持同步，以期获得单位输入功率因数，实现无功功率补偿，同时维持与三相双向整流模块1相连接的直流侧高压直流母线电压恒定。

三相STC非隔离变换模块2，用于实现高压直流电与低压直流电之间的相互电力变换，根据不同的控制方式实现其工作在升压工作模式或者降压工作模式，实现1.8KV高压直流母线与600V低压直流母线之间的双向电能流动。负载端电压由电路结构决定，可由n个stc全桥结构组合而成(n＝1，2，3…)，实现高压直流电与低压直流电之间比例为(n+1)：1的电压转换，大大简化了控制策略，提高系统的稳定性，每周期6个工作模态，比传统的三相逆变模块有更少的开关动作使得输出电能谐波含量小，实现在谐振腔的作用下开关管可以达到完全软开通和软关断效果，极大降低了开关损耗，使电能变换效率大大提高，电压电流应力小，具有可持续性和环保性；三相STC非隔离变换模块2，作为本装置中间关键环节，承担着电网电能与微网并网能源的相互交换桥梁。工作于高频模式的三相STC非隔离变换模块2，使得能量交互效率大大提高，硬件电路体积大有降低

单相全桥双向逆变模块3，用于实现低压直流电与220V、50HZ交流电压之间的相互转换，根据不同的控制方式实现其工作在整流工作模式或者逆变工作模式，实现分布式单相交流发电设备、单相交流负载、储能设备与600V低压直流母线之间能量相互流动。

全桥直流双向变换模块4，用于实现高压直流电与240V直流电压之间的相互转换，实现其工作在升压工作模式或者降压工作模式；实现为分布式直流发电设备、直流负载或者储能设备提供适当的直流电压，实现分布式直流发电设备、直流负载、储能设备与1.8KV高压直流母线间能量相互流动，同时提高系统供电可靠性，由于本模块具有的特性，降低了模块功率损耗。

三相谐振软开关双向逆变模块5，用于实现低压直流电与380V、50HZ交流电之间的相互转换，根据不同的控制方式实现其工作在整流工作模式或者逆变工作模式，实现分布式三相交流发电设备、三相交流负载、储能设备与600V低压直流母线之间能量相互流动。

高压直流母线，用于稳定三相双向整流模块1的输出电压、三相STC非隔离变换模块2的输入电压和全桥直流双向变换模块4的输入电压；完成三相双向整流模块1、三相STC非隔离变换模块2、全桥直流双向变换模块4的相互连接；完成三相双向整流模块1、三相STC非隔离变换模块2、全桥直流双向变换模块4之间电能流动。

低压直流母线：用于稳定三相STC非隔离变换模块2的输出电压、三相谐振软开关双向逆变单5元的输入电压和单相全桥双向逆变模块3的的输入电压；完成三相STC非隔离变换模块2、三相谐振软开关双向逆变单5、单相全桥双向逆变模块3之间电能流动。

所述的三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块均有正向导通、逆向导通和不导通三种电能流动工作模式，其中，能量从输入端流向输出端为正向导通，能量从输出端流向输入端为逆向导通，没有能量流经为不导通，根据各模块电能流动工作模式不同，形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式。

所述的三相STC非隔离变换模块，包括谐振腔模块、开关转换组模块以及控制电路；

所述的谐振腔模块，用于实现开关转换组中的开关管的软开关，可达到零电流关断和零电压开启；

所述的开关转换组模块的输入端连接高压直流母线，谐振腔模块连接于开关转换组模块；开关转换组模块的输出端连接低压直流母线；

所述的开关转换组模块，用于实现三相STC非隔离变换模块高压侧与低压侧的电能转换，有升压、降压和停机三种工作模式，工作在降压模式时，用于将高压直流侧的电能传输到低压直流侧；工作在升压模式时，用于将低压直流侧电能传输到高压直流侧，停机工作模式时无电能流动。谐振腔模块包括3n个谐振电容和3n个谐振电感，开关转换组模块包括6n个高频开关管(n＝1，2，3…)；

所述控制电路包括控制器、驱动模块、电源模块和采样模块；所述的采样模块的输入端分别连接高压直流母线和低压直流母线，采样模块的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接三相STC非隔离变换模块的开关转换组模块，电源模块分别连接至控制器、驱动模块、采样模块；

所述的控制器，用于产生驱动三相STC非隔离变换模块的开关管的PWM信号；

所述的驱动模块，用于放大控制器产生的驱动三相STC非隔离变换模块的开关管的PWM信号，控制开关转换组模块的高频开关管开通或者关断；

所述的电源模块，用于为控制器、采样模块、驱动模块提供电能；

所述的采样模块，用于采集高低压直流母线两侧的电压和电流信号，并传输至控制器。

应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置内五个模块电能流动方式，如图3所示，所述三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块均有正向导通、逆向导通和不导通三种电能流动工作模式，其中，能量从输入端流向输出端为正向导通，能量从输出端流向输入端为逆向导通，没有能量流经为不导通，根据各模块的电能流动工作模式不同，形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式，能量从输入端流向输出端为正向导通，用“1”表示；能量从输出端流向输入端为逆向导通，用“-1”表示；没有能量流经为不导通，用“0”表示；形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式，具体如下：

模式a:三相STC非隔离变换模块不导通时，三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块存在以下工作模式：

模式a1:三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块和全桥直流双向变换模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式a2:三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式a3:三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块正向导通；三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块不导通；

模式a4:三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式a5:三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块和全桥直流双向变换模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式a6：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块逆向导通；三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块不导通；

模式a7：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块不导通；全桥直流双向变换模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式a8：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块不导通；全桥直流双向变换模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式a9：三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块都不导通；即停机，各模块都没有电能流动；

模式b:三相STC非隔离变换模块正向导通时，三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块存在以下工作模式：

模式b1：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通；

模式b2：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块都正向导通；

模式b3：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式b4：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式b5：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式b6：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通；

模式b7：三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块逆向导通；

模式b8：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式b9：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式b10：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式b11：三相双向整流模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块不导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式b12：三相双向整流模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通，三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式b13：三相双向整流模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块不导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式b14：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式b15：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式b16：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块和全桥直流双向变换模块不导通；

模式b17：三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块不导通；

模式b18：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块不导通；

模式b19：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块不导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式b20：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，全桥直流双向变换模块不导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式b21：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式b22：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块不导通；

模式b23：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式b24：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式b25：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式c:三相STC非隔离变换模块逆向导通时，三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块存在以下工作模式：

模式c1：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式c2：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通；

模式c3：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式c4：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式c5：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块都逆向导通；

模式c6：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式c7：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c8：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式c9：三相双向整流模块、全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c10：三相双向整流模块和全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c11：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块正向导通，单相全桥双向逆变模块不导通；

模式c12：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块不导通；

模式c13：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式c14：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式c15：三相双向整流模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块正向导通；

模式c16：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块不导通，全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式c17：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块不导通，全桥直流双向变换模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c18：三相双向整流模块不导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通；

模式c19：三相双向整流模块不导通，全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块正向导通，单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c20：三相双向整流模块不导通，全桥直流双向变换模块正向导通，三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通；

模式c21：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和单相全桥双向逆变模块不导通；

模式c22：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块和三相谐振软开关双向逆变模块不导通；

模式c23：三相双向整流模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通，单相全桥双向逆变模块正向导通；

模式c24：三相双向整流模块和单相全桥双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通，三相谐振软开关双向逆变模块正向导通；

模式c25：三相双向整流模块、单相全桥双向逆变模块和三相谐振软开关双向逆变模块逆向导通，全桥直流双向变换模块不导通。

则应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的工作模式如表1所示：

表1应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的工作模式

本实施例中三相双向整流模块的电路，如图4所示，包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S12、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、二极管D5、二极管D6、电容C1和电容C2；

开关管S1的集电极、开关管S5的集电极和开关管S9的集电极分别连接高压直流母线正极和电容C1的正极，开关管S4的发射极、开关管S8的发射极和开关管S12的发射极连接高压直流母线负极和电容C2的负极；

开关管S2的集电极连接开关管S1的发射极，开关管S2的发射极连接开关管S3的集电极，开关管S3的发射极连接开关管S4的集电极，开关管S1的发射极还连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接二极管D2的负极，二极管D2的正极连接缘栅双极型晶体管S4的集电极；

开关管S6的集电极连接开关管S5的发射极，开关管S6的发射极连接开关管S7的集电极，开关管S7的发射极连接开关管S8的集电极，开关管S5的发射极还连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极连接开关管S8的集电极；

开关管S10的集电极连接开关管S9的发射极，开关管S10的发射极连接开关管S11的集电极，开关管S11的发射极连接开关管S12的集电极，开关管S9的发射极还连接二极管D5的负极，二极管D5的正极连接二极管D6的负极，二极管D6的正极连接开关管S12的集电极；

二极管D1的正极、二极管D3的正极和二极管D5的正极还连接电容C1的负极，电容C1的正极连接高压直流母线正极，电容C1的负极还连接电容C2的正极，电容C2的负极连接高压直流母线负极；

10KV配电网等效进线电感L1连接开关管S2的发射极，10KV配电网等效进线电感L2连接开关管S6的发射极，10KV配电网等效进线电感L3连接开关管S10的发射极。

三相STC非隔离变换模块2，如图5所示，包括谐振腔模块6和转换开关组模块7。

所述的谐振腔模块，用于实现开关转换组中的开关管的软开关，可达到零电流关断和零电压开启；

所述的开关转换组模块的输入端连接高压直流母线，谐振腔模块连接于开关转换组模块；开关转换组模块的输出端连接低压直流母线；

所述的开关转换组模块，用于实现高压直流与低压直流侧的电能转换，有升压、降压和停机三种工作模式，工作在降压模式时，用于将高压直流侧的电能传输到低压直流侧；工作在升压模式时，用于将低压直流侧电能传输到高压直流侧，停机工作模式时无电能流动。

本实施例中谐振腔模块6包括型号为HVDNAT0.5J491B谐振电容容值为4.3uF的谐振电容C16、谐振电容C17、谐振电容C18、谐振电容C19、谐振电容C20、谐振电容C21，谐振电感L16、谐振电感L17、谐振电感L18、谐振电感L19、谐振电感L20、谐振电感L21。

开关转换组模块7包括型号为FF1200R17IP5PBPSA1的高频开关管S35、高频开关管S36、高频开关管S37、高频开关管S38、高频开关管S39、高频开关管S40、高频开关管S41、高频开关管S42、高频开关管S43、高频开关管S44、高频开关管S45、高频开关管S46、高频开关管S47、高频开关管S48、高频开关管S49、高频开关管S50、高频开关管S51、高频开关管S52、高频开关管S53、高频开关管S54、高频开关管S55、高频开关管S56、高频开关管S57、高频开关管S58。

所述的三相STC非隔离变换模块(n＝1，2，3…)，当n＝1时，谐振电容C16与谐振电感L16串联后，谐振电感L16另一端连接开关管S35的发射极，谐振电容C16另一端连接开关管S39的发射极；谐振电容C18与谐振电感L18串联后，谐振电感L18另一端连接开关管S43的发射极，谐振电容C18另一端连接开关管S47的发射极；谐振电容C20与谐振电感L20串联后，谐振电感L20另一端连接开关管S51的发射极，谐振电容C20另一端连接开关管S55的发射极；开关管S35的集电极、开关管S43的集电极、开关管S51的集电极连接高压直流母线的正极；开关管S36的发射极、开关管S40的发射极、开关管S44的发射极、开关管S48的发射极、开关管S52的发射极和开关管S56的发射极连接高压直流母线的负极；开关管S35的发射极连接开关管S36的集电极；开关管S39的发射极连接开关管S40的集电极；开关管S43的发射极连接开关管S44的集电极；开关管S47的发射极连接开关管S48的集电极；开关管S51的发射极连接开关管S52的集电极；开关管S55的发射极连接开关管S56的集电极；开关管S39的集电极、开关管S47的集电极和开关管S55的集电极连接低压直流母线的正极；当n＝2时，谐振电容C16与谐振电感L16串联后，谐振电感L16另一端连接开关管S35的发射极，谐振电容C16另一端连接开关管S39的发射极；谐振电容C17与谐振电感L17串联后，谐振电感L17另一端连接开关管S37的发射极，谐振电容C17另一端连接开关管S41的发射极；谐振电容C18与谐振电感L18串联后，谐振电感L18另一端连接开关管S43的发射极，谐振电容C18另一端连接开关管S47的发射极；谐振电容C19与谐振电感L19串联后，谐振电感L19另一端连接开关管S45的发射极，谐振电容C19另一端连接开关管S49的发射极；谐振电容C20与谐振电感L20串联后，谐振电感L20另一端连接开关管S51的发射极，谐振电容C20另一端连接开关管S55的发射极；谐振电容C21与谐振电感L21串联后，谐振电感L21另一端连接开关管S51的发射极，谐振电容C21另一端连接开关管S55的发射极；开关管S35的集电极、开关管S43的集电极、开关管S51的集电极连接高压直流母线的正极；开关管S38的发射极、开关管S42的发射极、开关管S46的发射极、开关管S50的发射极、开关管S54的发射极和开关管S58的发射极连接高压直流母线的负极；开关管S35的集电极、开关管S43的集电极、开关管S51的集电极连接高压直流母线的正极；开关管S38的发射极、开关管S42的发射极、开关管S46的发射极、开关管S50的发射极、开关管S54的发射极和开关管S58的发射极连接高压直流母线的负极；开关管S35的发射极连接开关管S36的集电极；开关管S37的发射极连接开关管S38的集电极；开关管S39的发射极连接开关管S40的集电极；开关管S41的发射极连接开关管S42的集电极；开关管S43的发射极连接开关管S44的集电极；开关管45的发射极连接开关管S46的集电极；开关管S47的发射极连接开关管S48的集电极；开关管S49的发射极连接开关管S50的集电极；开关管S51的发射极连接开关管S52的集电极；开关管S53的发射极连接开关管S54的集电极；开关管S55的发射极连接开关管S56的集电极；开关管S57的发射极连接开关管S58的集电极；开关管S39的集电极、开关管S41的集电极、开关管S47的集电极开关管S49的集电极、开关管S55的集电极和开关管S57的集电极连接低压直流母线的正极；

全桥直流双向变换模块的电路4，如图6所示，包括开关管S13、开关管S14、开关管S15、开关管S16、开关管S17、开关管S18、变压器T1和变压器T2和等效电感L5；

开关管S13的集电极和开关管S14的集电极连接高压直流母线正极，开关管S15的发射极和开关管S16的发射极连接高压直流母线负极，开关管S13的发射极连接开关管S15的集电极，开关管S14的发射极连接开关管S16的集电极，开关管S14的发射极连接变压器T1的原边正极，开关管S13的发射极通过等效电感L5连接变压器T1的原边负极，变压器T1的副边第一抽头连接开关管S18的集电极，变压器T1的副边第二抽头连接240V直流输出负极，变压器T1的副边第三抽头连接至开关管S17的集电极，开关管S17的集电极和开关管S18的集电极连接变压器T2的副边正极，变压器T2的副边负极连接240V直流输出正极，变压器T2的原边正极连接高压直流母线正极，变压器T2的原边负极连接高压直流母线负极。

三相谐振软开关双向逆变模块的电路5，如图7所示，包括三相谐振软开关双向逆变器9和LC滤波器10；

三相谐振软开关双向逆变器9包括开关管S19、开关管S20、开关管S21、开关管S22、开关管S23、开关管S24、开关管S25、开关管S26、开关管S27、开关管S28、开关管S29、开关管S30、电阻R1、电阻R2、电容C3、电容C4、电容C5、电容C6、电容C7、电容C8、电容C9、电容C10、电感L8、电感L9、电感L10、电感L11、电感L12和电感L13；

LC滤波器10包括电感L5、电感L6、电感L7、电容C11、电容C12和电容C13；

电阻R1和电容C3并联，电阻R2和电容C4并联，电阻R1和电容C3的一个连接点连接低压直流母线正极，电阻R1和电容C3的另一个连接点连接电阻R2和电容C4的一个连接点的，电阻R2和电容C4的另一个连接点连接低压直流母线负极；

在A相，开关管S19的集电极串联电感L8后与电容C5并联，开关管S19的集电极与电容C5并联的连接点连接至电阻R1和电阻R2的连接点P上，开关管S20的集电极串联电感L9后与电容C6并联，电感L8的一端连接电感L9的一端，电容C5的一端连接电容C6的一端，开关管S20的发射极与电容C6并联的连接点连接开关管S25的发射极；

在B相，开关管S21的集电极串联电感L10后与电容C7并联，开关管S21的发射极与电容C7并联的连接点连接至电阻R1和电阻R2的连接点P上，开关管S22的集电极串联电感L11后与电容C7并联，电感L10的一端连接电感L11的一端，电容C7的一端连接电容C8的一端，开关管S22的发射极与电容C7并联的连接点连接开关管S27的发射极；

在C相，开关管S23的集电极串联电感L12后与电容C9并联，开关管S23的发射极与电容C9并联连接点连接至电阻R1和电阻R2的连接点P上，开关管S24的的集电极串联电感L13后与电容C10并联，电感L12的一端连接电感L13的一端，电容C9的一端连接电容C10的一端，开关管S24的的发射极与电容C10并联的连接点连接开关管S29的发射极；

开关管S25的集电极、开关管S27的集电极和开关管S29的集电极连接至低压直流母线正极，开关管S25的发射极还连接开关管S26的集电极，开关管S27的发射极还连接开关管S28的集电极，开关管S29的发射极还连接开关管S30的集电极，开关管S26的发射极、开关管S28的的发射极和开关管S30的发射极连接低压直流母线负极；

开关管S25的发射极还连接电感L5的一端，开关管S27的发射极还连接电感L6的一端，开关管S29的发射极还连接电感L7的一端，电感L5的另一端连接至三相交流电A相输出端，电感L6的另一端连接至三相交流电B相输出端，电感L7的另一端连接至三相交流电C相输出端，电容C11的一端连接至三相交流电A相输出端，电容C12的一端连接至三相交流电B相输出端，电容C13的一端连接至三相交流电C相输出端，电容C11的另一端、电容C12的另一端和电容C13的另一端接地。

单相全桥双向逆变模块的电路3，如图8所示，包括单相全桥双向逆变器12和LC滤波器11；

单相全桥双向逆变器12包括开关管S31、开关管S32、开关管S33和开关管S34；LC滤波器11包括电感L14、电感L15和滤波电容C14；

开关管S31的集电极和开关管S33的集电极连接高压直流母线正极，开关管S32的发射极和开关管S34的发射极连接高压直流母线负极，开关管S31的发射极连接开关管S32的集电极，开关管S33的发射极连接开关管S34的集电极；

电感L14的一端连接开关管S31的发射极，电感L15的一端连接开关管S34的集电极，电感L14的另一端连接单相交流电上端输出端，电感L15的另一端连接单相交流电下端输出端，滤波电容C14并联在单相交流电上下两端输出端之间。

本模块所用LC滤波器区别于一般滤波器采样滤波电感等值分布于正负级两侧，对解决逆变器输出波形畸变率高，正负半周不对称有很好的矫正作用。

三相STC非隔离变换模块2的控制电路，如图9所示，包括控制器、驱动模块、电源模块和采样模块。本实施方式中控制器型号为TMS320F28335。

采样模块的输入端分别连接1.8KV高压直流母线和600V低压直流母线，采样模块的输出端连接控制器TMS320F28335的输入端，控制器TMS320F28335的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端分别连接三相STC非隔离变换模块，电源模块分别连接至控制器、驱动模块、采样模块。

控制器TMS320F28335，用于产生驱动三相STC非隔离变换模块的开关管的PWM信号。

驱动模块，用于放大控制器产生的驱动三相STC非隔离变换模块的开关管的PWM信号，控制谐振腔模块的开关管开通或者关断。

所述的电源模块，用于为控制器、采样模块、驱动模块提供电能。

采样模块，如图10所示，用于采集1.8KV高压直流母线的电压信号和电流信号、600V低压直流母线的电压信号和电流信号，并传输至控制器TMS320F28335，实现三相STC非隔离变换模块控制时涉及采样模块由三级运算放大器LM324构成的电路构成，其电压采样原理如图11所示，电流采样原理如图12所示，INPUT端输入信号为经过霍尔传感器变换得到的次级信号，依次通过加法器、比较放大器、电压跟随器调理得到控制器可采集信号。基本原理是经过霍尔传感器将输入电压电流信号线性变换，然后通过加法器将信号变换为非负信号；由比较放大器将信号放大至0至3V范围内，然后由电压跟随器隔离信号，输出信号送入控制器中供AD采集。

三相STC非隔离变换模块的控制方法，如图13所示，包括以下步骤：

步骤1：对三相STC非隔离变换模块进行初始化，对高低压直流母线等效电容进行预充电；

步骤2：采样模块采集高低压直流母线两侧的电压和电流信号，并传输至控制器；

步骤3：控制器计算高压和低压直流母线实时流过的功率，判断三相STC非隔离变换模块的电能流动方向，并向驱动模块输出PWM信号，若能量由三相STC非隔离变换模块的输入端流向输出端，则为降压工作模式，若能量由三相STC非隔离变换模块的输出端流向输入端，则为升压工作模式，降压或升压工作模式均执行步骤4，否则，若没有能量流过三相STC非隔离变换模块，则为停机模式，执行步骤5；

步骤4：三相STC非隔离变换模块在降压或升压工作模式下工作，三相STC非隔离变换模块的开关工作组模块在降压或升压工作模式工作，高压侧电压与低压侧电压的比为(n+1)：1(n＝1，2，3…)，本实施例中n＝2；

步骤4.1：S35、S39、S38、S42，S44、S48、S49、S45，S51、S55、S58、S54…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开；

步骤4.2：S35、S39、S38、S42，S44、S48、S49、S45，S52、S56、S57、S53…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开；

步骤4.3：S35、S39、S38、S42，S43、S47、S50、S46，S52、S56、S57、S53…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开；

步骤4.4：S36、S40、S41、S37，S43、S47、S50、S46，S52、S56、S57、S53…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开；

步骤4.5：S36、S40、S41、S37，S43、S47、S50、S46，S51、S55、S58、S54…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开；

步骤4.6：S36、S40、S41、S37，S44、S48、S49、S45，S51、S55、S58、S54…共6n个高频开关管同时导通，导通时间为每个周期的49％，接着进入每个周期1％的死区状态，死区状态时高频开关管全部断开。

步骤5：控制器不输出PWM信号，三相STC非隔离变换模块高频开关管全部断开。

三相STC非隔离变换模块的仿真效果，如图14所示，包括横轴时间(ms)和纵轴电压(V)，电压波动幅度稳定在0.0048V附近。

Claims (1)

1.一种应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置，其特征在于：包括三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块、单相全桥双向逆变模块、高压直流母线和低压直流母线；

所述的三相双向整流模块的输入端接入10KV配电网，三相双向整流模块的输出端连接所述高压直流母线，所述全桥直流双向变换模块的输入端和所述三相STC非隔离变换模块的输入端分别连接高压直流母线，全桥直流双向变换模块的输出端连接直流负载、分布式直流发电设备或储能设备，三相STC非隔离变换模块的输出端分别连接所述低压直流母线，所述三相谐振软开关双向逆变模块的输入端和单相全桥双向逆变模块的输入端连接低压直流母线，三相谐振软开关双向逆变模块的输出端连接三相交流负载、分布式三相交流发电设备或储能设备，单相全桥双向逆变模块的输出端连接单相交流负载、分布式单相交流发电设备或储能设备；

所述的三相STC非隔离变换模块，包括谐振腔模块、开关转换组模块以及控制电路；所述的开关转换组模块包括6n个高频开关管，其输入端连接高压直流母线，谐振腔模块包括3n个谐振电容和3n个谐振电感，连接开关转换组模块；开关转换组模块的输出端连接低压直流母线，高压直流电与低压直流电的电压转换比为(n+1)：1，(n＝1，2，3…)；

所述控制电路包括控制器、驱动模块、电源模块和采样模块；所述的采样模块的输入端分别连接高压直流母线和低压直流母线，采样模块的输出端连接控制器的输入端，控制器的输出端连接驱动模块的输入端，驱动模块的输出端连接三相STC非隔离变换模块的开关转换组模块，电源模块分别连接至控制器、驱动模块、采样模块；

所述三相双向整流模块、三相STC非隔离变换模块、全桥直流双向变换模块、三相谐振软开关双向逆变模块和单相全桥双向逆变模块均有正向导通、逆向导通和不导通三种电能流动工作模式，其中，能量从输入端流向输出端为正向导通，能量从输出端流向输入端为逆向导通，没有能量流经为不导通，根据各模块的电能流动工作模式不同，形成应用于交直流混合微网的多模式电能路由器装置的不同工作模式，能量从输入端流向输出端为正向导通，用“1”表示；能量从输出端流向输入端为逆向导通，用“-1”表示；没有能量流经为不导通，用“0”表示。

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