CN115064360A - 一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，包括3台立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与并联变流器的交流侧相连；串联变流器和并联变流器的直流侧相连，形成低压直流端口；控制器控制连接串联变流器和并联变流器。本发明立体心式多绕组变压器三个心柱磁路对称，减少材料使用并降低铁损，配合少量变流器实现主动调控，拓扑结构和控制复杂度低。

Description

一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器
技术领域
本发明属于柔性交直流配电技术领域，更具体地，涉及一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器。
背景技术
随着电力用户向多样化发展、分布式／储能并网运行以及配电网规模的不断扩大，配电网面临的接入压力越来越大，围绕如何提高分布式电源接入水平，微电网、主动配电网、智能电网、自主配电网等新兴技术框架发展迅速。随着现代电力电子技术与先进控制理论的发展，大容量电力电子变换设备已经具备了能量双向流动、变换、调控与管理能力。其中，以电能路由器为核心接口，以微电网的形式组网是可行方案之一，逐步得到了国内外学者的关注。电能路由器的突出特点在于其固态模块可对输入输出两侧的电压幅值和相位实时控制，可实现电压、电流和功率的灵活调节，是微电网与配电网之间理想的接口装置。
现阶段电能路由器多采用级联H桥形式和模块化多电平形式的两大类基于全电力电子模块的拓扑结构方案。然而，在交流配电系统中以基于全电力电子功率模块的电能路由器取代传统AC/AC工频变压器仍然存在很多挑战，最突出的问题是电能路由器的成本较高和损耗较大。例如1MVA 10kV/400V的电能路由器与传统工频变压器相比，前者成本是后者的5倍以上，而损耗是其3倍以上。较差的技术经济性使得基于全电力电子功率模块的电能路由器在现阶段难以在电网中大规模推广应用。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明第一方面提供了一种立体心式多绕组变压器，包括三柱立体磁路结构和四个绕组；所述三柱立体磁路结构包括三个铁心柱、上铁轭和下铁轭；所述三个铁心柱在空间上对称；相邻两个铁心柱的上端连接设置有所述上铁轭，相邻两个铁心柱的下端连接设置有所述下铁轭；四个绕组为高压绕组W1、串联绕组W2、低压绕组W3和并联绕组W4；所述低压绕组W3和所述并联绕组W4绕设于同一个铁心柱，所述高压绕组W1和所述串联绕组W2分别绕设于另外两个心柱。
基于上述，所述铁心柱、所述上铁轭和所述下铁轭均是由若干硅钢片或非晶合金材料薄板叠装而成。
本发明第二方面提供一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，包括3台所述的立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与所述串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与所述并联变流器的交流侧相连；所述串联变流器和所述并联变流器的直流侧相连，形成低压直流端口；所述控制器控制连接所述串联变流器和所述并联变流器。
基于上述，所述串联变流器包括DC/AC功率变换模块和LC滤波器，所述DC/AC功率变换模块的交流侧与所述LC滤波器的电感端连接；所述LC滤波器的电容端与星型联结的串联绕组W2相连。
基于上述，所述DC/AC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述DC/AC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
基于上述，所述并联变流器包括AC/DC功率变换模块和滤波器，所述AC/DC功率变换模块的交流侧与所述滤波器的电感一端连接，所述滤波器的电感的另一端与星型联结的并联绕组W4相连；所述并联变流器的滤波器采用L型、LC型或LCL型滤波器。
基于上述，所述AC/DC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述AC/DC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
本发明第三方面提供一种基于所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的配电系统，所述基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的中高压交流端口连接到中高压配电网，低压交流端口通过交流母线连接交流负荷终端、交流型储能装置以及交流型新能源发电装置，低压直流端口通过直流母线连接直流负荷终端、直流型储能装置以及直流型新能源发电装置。
本发明第四方面提供一种基于所述的混合式电能路由器的配电系统的控制方法，所述控制器采用直接控制和间接控制两种方式控制所述串联变流器和并联变流器；采用直接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：以10kV交流电网电流基波分量和低压直流母线电压为控制变量，将所述串联变流器控制为正弦电流源；以低压交流电网电压基波分量为控制变量，将所述并联变流器控制为正弦电压源；采用间接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：以10kV交流电网电压波动量和畸变量为控制变量，将所述串联变流器控制为非正弦电压源；以低压交流电网电流无功量、畸变量和低压直流母线电压为控制变量，将所述并联变流器控制为非正弦电流源。
与现有技术相比，本发明具有如下特点：
（1）相比于平面三心柱变压器，立体心式多绕组变压器三个心柱磁路对称，有利于减少材料使用并降低铁损；
（2）通过立体心式多绕组变压器的串联绕组与串联变流器调控低压交流电压，控制节点电能的同时部分采用电力电子器件，提高经济性；
（3）相比于基于全电力电子功率模块的电能路由器，立体心式多绕组变压器价格低廉、技术成熟，只需少量电力电子变流器即可实现主动调控，一般无需多电平多级级联结构，拓扑结构和控制复杂度较低，大大降低了投资成本。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的立体心式多绕组变压器的结构示意图。
图2是本发明实施例2提供的混合式电能路由器的结构示意图。
图3是本发明实施例2提供的混合式电能路由器中立体心式多绕组变压器的Dyn接线示意图。
图4是本发明实施例2中的串联变流器和并联变流器的第一种结构示意图。
图5是本发明实施例2中的串联变流器和并联变流器的第二种结构示意图。
图6是本发明实施例2中的串联变流器和并联变流器的第三种结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种立体心式多绕组变压器，包括三柱立体磁路结构和四个绕组；
所述三柱立体磁路结构包括三个铁心柱1、上铁轭2和下铁轭3；所述三个铁心柱1在空间上对称；相邻两个铁心柱1的上端连接设置有所述上铁轭2，相邻两个铁心柱1的下端连接设置有所述下铁轭3；四个绕组为高压绕组W1、串联绕组W2、低压绕组W3和并联绕组W4；所述低压绕组W3和所述并联绕组W4绕设于同一个铁心柱1，所述高压绕组W1和所述串联绕组W2分别绕设于另外两个心柱1。
具体的，所述铁心柱、所述上铁轭和所述下铁轭均是由若干硅钢片或非晶合金材料薄板叠装而成。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，包括3台实施例1所述的立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；
3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成用于接入10kV交流电网的中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成400V低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与所述串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与所述并联变流器的交流侧相连；
所述串联变流器和所述并联变流器的直流侧相连，形成±375V或±750V的低压直流端口；
所述控制器控制连接所述串联变流器和所述并联变流器。
图3示出了3台立体心式多绕组变压器的Dyn接线示意图，高压绕组采用三角形联结方式，形成A、B、C三相端口；低压绕组采用星型联结方式，形成a、b、c、n三相四线交流端口；串联绕组采用星型联结方式，形成U、V、W三相交流端口；并联绕组采用星型联结方式，形成x、y、z三相交流端口。
具体的，图4-6示出了多种可用的串联变流器和并联变流器的结构。所述串联变流器包括DC/AC功率变换模块和LC滤波器，所述DC/AC功率变换模块的交流侧与所述LC滤波器的电感端连接；所述LC滤波器的电容端与星型联结的串联绕组W2相连。所述DC/AC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述DC/AC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
所述并联变流器包括AC/DC功率变换模块和滤波器，所述AC/DC功率变换模块的交流侧与所述滤波器的电感一端连接，所述滤波器的电感的另一端与星型联结的并联绕组W4相连；所述并联变流器的滤波器采用L型、LC型或LCL型滤波器。所述AC/DC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述AC/DC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
实施例3
本实施例提供一种基于实施例2所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的配电系统，如图2所示，所述基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的中高压交流端口连接到中高压配电网，低压交流端口通过交流母线连接交流负荷终端、交流型储能装置以及交流型新能源发电装置，低压直流端口通过直流母线连接直流负荷终端、直流型储能装置以及直流型新能源发电装置。
实施例4
本实施例提供一种基于实施例3所述的混合式电能路由器的配电系统的控制方法，所述控制器基于检测的10kV交流电网、400V低压三相交流端口、低压直流端口的电压和电流，采用直接控制和间接控制两种方式控制所述串联变流器和并联变流器；
采用直接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：
以10kV交流电网电流基波分量和低压直流母线电压为控制变量，将所述串联变流器控制为正弦电流源；使10kV交流电网电流与电压同频同相，实现单位功率因数，同时稳定直流母线电压；
以低压交流电网电压基波分量为控制变量，将所述并联变流器控制为正弦电压源，使低压交流电网电压控制为稳定在给定的正弦电压和相位参考值；
采用间接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：
以10kV交流电网电压波动量和畸变量为控制变量，将所述串联变流器控制为非正弦电压源；以补偿电网电压的波动和畸变，使低压交流电网电压为稳定在给定的正弦电压和相位参考值；
以低压交流电网电流无功量、畸变量和低压直流母线电压为控制变量，将所述并联变流器控制为非正弦电流源；以控制低压交流端口和低压直流端口交换的有功功率，并补偿负载的无功和谐波电流，使10kV交流电网电流控制为单位功率因数的正弦波形，同时稳定直流母线电压。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种立体心式多绕组变压器，其特征在于：
包括三柱立体磁路结构和四个绕组；
所述三柱立体磁路结构包括三个铁心柱、上铁轭和下铁轭；
所述三个铁心柱在空间上对称；
相邻两个铁心柱的上端连接设置有所述上铁轭，相邻两个铁心柱的下端连接设置有所述下铁轭；
四个绕组为高压绕组W1、串联绕组W2、低压绕组W3和并联绕组W4；
所述低压绕组W3和所述并联绕组W4绕设于同一个铁心柱，所述高压绕组W1和所述串联绕组W2分别绕设于另外两个心柱。
2.根据权利要求1所述的立体心式多绕组变压器，其特征在于：所述铁心柱、所述上铁轭和所述下铁轭均是由若干硅钢片或非晶合金材料薄板叠装而成。
3.一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，其特征在于：包括3台权利要求1或2所述的立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；
3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与所述串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与所述并联变流器的交流侧相连；
所述串联变流器和所述并联变流器的直流侧相连，形成低压直流端口；
所述控制器控制连接所述串联变流器和所述并联变流器。
4.根据权利要求3所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，其特征在于：
所述串联变流器包括DC/AC功率变换模块和LC滤波器，所述DC/AC功率变换模块的交流侧与所述LC滤波器的电感端连接；所述LC滤波器的电容端与星型联结的串联绕组W2相连。
5.根据权利要求4所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，其特征在于：所述DC/AC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述DC/AC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
6.根据权利要求3所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，其特征在于：所述并联变流器包括AC/DC功率变换模块和滤波器，所述AC/DC功率变换模块的交流侧与所述滤波器的电感一端连接，所述滤波器的电感的另一端与星型联结的并联绕组W4相连；所述并联变流器的滤波器采用L型、LC型或LCL型滤波器。
7.根据权利要求6所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，其特征在于：所述AC/DC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述AC/DC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。
8.一种基于权利要求3-7任一项所述的基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的配电系统，其特征在于：
所述基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器的中高压交流端口连接到中高压配电网，低压交流端口通过交流母线连接交流负荷终端、交流型储能装置以及交流型新能源发电装置，低压直流端口通过直流母线连接直流负荷终端、直流型储能装置以及直流型新能源发电装置。
9.一种基于权利要求8所述的混合式电能路由器的配电系统的控制方法，其特征在于：
所述控制器采用直接控制和间接控制两种方式控制所述串联变流器和并联变流器；
采用直接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：
以10kV交流电网电流基波分量和低压直流母线电压为控制变量，将所述串联变流器控制为正弦电流源；以低压交流电网电压基波分量为控制变量，将所述并联变流器控制为正弦电压源；
采用间接控制方式控制所述串联变流器和并联变流器的方法是：
以10kV交流电网电压波动量和畸变量为控制变量，将所述串联变流器控制为非正弦电压源；以低压交流电网电流无功量、畸变量和低压直流母线电压为控制变量，将所述并联变流器控制为非正弦电流源。
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