CN115207937A - 一种家用电能路由器及其控制方法和软起动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种家用电能路由器及其控制方法和软起动方法，包括：多绕组高频变压器、缓冲支路、高频变流器、接口电路和旁路交流母线；所述多绕组高频变压器每个绕组的一个端子与一个缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与接口电路的输入正、负极端子相连，接口电路的输出端子连接滤波电路引出家用电能路由器的各个端口；本发明基于能量路由器的多生态微电网系统不仅能够有效集成分布式电能源，更具备能量管理与调度，对于当前用户端微电网组网形态与能量调度应用具有一定的理论和实践价值。

Description

一种家用电能路由器及其控制方法和软起动方法
技术领域
本发明属于电力电子电能变换领域，涉及一种家用电能路由器及其控制方法和软起动方法。
背景技术
随着能源需求的日益增加，一次能源储量却逐渐减少，由此带来的能源缺口在未来需要靠不断发展风力、光伏、水力等可再生能源来进行补充。以可再生能源为主，由相对分散的发电单元组成的分布式发电系统凭借着储量大、污染小，利用率高、可持续、发电方式灵活等优点，得到了广泛的研究和应用。分布式发电也存在着诸多问题，比如地理上的分散性、时间尺度上的间歇性和随机性以及功率上的不可控性等。因此，为了减小其对电网的冲击，尽可能地提高能源利用率，储能装置被引入到电网中作为支撑和备用，为波动的能量提供缓冲，间接提高大电网对分布式能源发电系统的消纳能力。同时，伴随着现代都市中包括新能源汽车在内的新型电力设备的大量推广，用户对于多样化用电需求的期望日益增加，如何在现有能源环境与配电网的基础上，实现用户终端微电网系统的高效电能管理与协调，成为当下研究的热点。
基于以上要求，目前已提出的基于多绕组高频变压器的家用电能路由器是一种有潜力的解决方案。多端口交直流混合变换器是一个以多绕组高频变压器为核心的直流-直流变换器，直流端口可以连接无源负载、直流源或整流器等。变换器通过高频变压器，实现了多端口之间的磁隔离，大大提高了变换器的安全性和可靠性；此外，变流器的体积和重量也由于工作频率的提高而大幅减少，具有广阔的应用前景。
然而，现有的基于多绕组高频变压器的家用电能路由器对强耦合状况下模块单元各端口电压控制和模块单元之间电压均衡控制仍存在性能不强，结构和控制复杂以及成本较高的问题；同时也未就家用场景下，紧急情况时的备用供电和网侧有源电力滤波等实际需求提出针对性的解决方案。
发明内容
为解决现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种家用电能路由器及其控制方法和软起动方法。本发明基于能量路由器的多生态微电网系统不仅能够有效集成分布式电能源，更具备能量管理与调度，电能质量治理与控制、支持各端口灵活的切除与切入(即插即用)、并网有源电力滤波等作用，对于当前用户端微电网组网形态与能量调度应用具有一定的理论和实践价值。
本发明的目的是由以下技术方案实现的：
一种家用电能路由器，包括：多绕组高频变压器、缓冲支路、高频变流器、接口电路和旁路交流母线；
所述多绕组高频变压器每个绕组的一个端子与一个缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与接口电路的输入正、负极端子相连，接口电路的输出端子连接滤波电路引出家用电能路由器的各个端口；
所述端口包括入户电源端口、用户端口、光伏端口、储能电池端口、交流预留端口和直流预留端口；
所述旁路交流母线跨接在入户电源端口与用户端口之间。
作为本发明的进一步改进，所述高频变流器是单相半桥或者全桥电路，电平数是两电平、三电平或者多电平；
所述高频变流器为两电平全桥电路，包括四个功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4和直流侧电容CD1；功率开关管S1与功率开关管S2首尾顺序相连构成第一桥臂，功率开关管S3与功率开关管S4首尾顺序相连构成第二桥臂，开关管连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与第一桥臂通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与第二桥臂中点相连；第一桥臂与第二桥臂上端彼此相连构成公共上端，下端彼此相连构成公共下端，两桥臂的公共上下端分别与直流侧电容CD1两端相连，由直流侧电容两端引出端子；
高频变流器为两电平半桥电路，包括两个功率开关管S5、功率开关管S6和直流侧电容CD2；功率开关管S5与功率开关管S6首尾顺序相连，连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与桥臂中点通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与桥臂下端相连；电容CD2的一端与桥臂上端相连，另一端则与桥臂下端连接，由直流侧电容两端引出端子。
作为本发明的进一步改进，所述入户电源端口对应的接口电路是单相全桥电路，用户端口和交流预留端口对应的接口电路是单相全桥电路或三相全桥电路；光伏端口、储能电池端口与直流预留端口对应的接口电路是直连导线、单相半桥电路或直流/直流变换电路；
多绕组高频变压器第一绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的入户电源端口；
多绕组高频变压器第二绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接LCL滤波电路引出家用电能路由器的用户端口；
多绕组高频变压器第三绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，两电平半桥电路输出侧串联滤波电感，做三重化连接后，其输入正、负端子与高频变流器的直流正、负极端子相连引出家用电能路由器的光伏端口；
多绕组高频变压器第四绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平半桥电路的输入正、负极端子相连，两电平半桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的储能电池端口。
作为本发明的进一步改进，所述多绕组高频变压器的总绕组数n为2～N；所述多绕组高频变压器的频率是几百赫兹～几百千赫兹。
所述缓冲支路是LC串联谐振支路或单L支路，缓冲支路中的电感为变压器绕组的漏感；
所述滤波电路是单L支路、LC滤波电路或LCL滤波电路。
一种家用电能路由器的控制方法，包括：
当一端口不进行功率传输时，将与该端口连接的高频变流器与接口电路闭锁；当一端口进行功率传输时，指定其输入或输出家用电能路由器功率大小，在此基础上对各高频变流器与接口电路分别进行控制，使所述家用电能路由器的输入功率等于输出功率，并实现不间断电源UPS和有源电力滤波器的功能。
作为本发明的进一步改进，所述对各高频变流器与接口电路分别进行控制，包括：
当各高频变流器开关频率等于LC谐振频率时，与LC谐振支路相连的各高频变流器同步运行，与单L支路相连的各高频变流器移相运行；
当各高频变流器的开关频率不等于LC谐振频率时，所有高频变流器均移相运行。
作为本发明的进一步改进，入户电源端口、用户端口、光伏端口与储能电池端口接口电路的控制包括；
入户电源端口对应接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处电流和后级高频变流器直流侧电容电压进行控制，电流内环采用PR控制器，电压外环采用PI控制器，电流内环PR控制器输出的调制信号经载波移相PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号；
用户端口对应接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处输出电压和电流进行控制，电流内环采用PI控制器，电压外环采用PR控制器，电流内环PI控制器输出的调制信号经载波移相PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号；
光伏端口对应接口电路在后级高频变流器做移相运行时为直连导线，无需控制；在后级高频变流器同步运行时，接口电路应用基于最大功率点跟踪MPPT的闭环控制，控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使光伏端口始终运行在最大功率输出状态；
储能电池端口对应接口电路在后级高频变流器做移相运行时为直连导线，无需控制；在后级高频变流器同步运行且家用电能路由器与入户电源相连时，接口电路应用基于单电流闭环的控制办法，对端口处电流进行控制，采用PI控制器，控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电；在后级高频变流器同步运行且家用电能路由器与入户电源断开时，接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处电流和后级高频变流器直流侧电容电压进行控制，电压外环采用PI控制器，电流内环采用PI控制器，电流内环PI控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电并控制后级高频变流器直流侧电容电压稳定在额定值。
作为本发明的进一步改进，实现不间断电源，具体包括：
当市电电压稳定时，旁路交流母线上的开关闭合，用户端口对应高频变流器与接口电路闭锁，入户电源端口经旁路交流母线直接向用户端口供电；当市电失压时，旁路交流母线被切断，用户端口对应高频变流器与接口电路解除闭锁，由家用电能路由器向用户端口所接负载供电，通过控制用户端口对应的接口电路，以采集到的市电失压前用户端口输出电压幅值、相位以及输出电流作为参考信号，借助电压电流双闭环控制，使用户端口电压电流在市电失压前后保持一致。
作为本发明的进一步改进，实现有源电力滤波器的功能，包括：
当用户端口接入非线性负载时，对入户电源端口对应的接口电路应用电压电流双闭环控制，使入户电源端口处的电压和电流保持为理想的同相位正弦波形，实现有源电力滤波。
一种家用电能路由器的软起动方法，包括：
所述家用电能路由器在连接供电端口的情况下启动，所述接口电路与滤波电路连接后串联限流电阻到各供电端口；
所述各接口电路与高频变流器中的开关管在起动初期处于闭锁状态，旁路交流母线上的开关在启动阶段也处于闭合状态；在控制器启动前，供电端口通过其对应接口电路开关管所包含的体二极管或所反并联的二极管对后级高频变流器的直流侧电容充电至达到稳态电压值；
待输入电压达到主控制器模块的最低启动电压后，控制器启动，首先对供电端口对应的接口电路开关管进行控制，使之对后级高频变流器的直流侧电容继续充电至达到所设定的额定电压值；然后解除供电端口内高频变流器开关管的闭锁状态，并对其开关信号占空比进行控制，使由0到50％逐渐增加，直到各端口高频变流器直流侧电容电压均充电达到额定电压值，起动结束。
与现有技术相比，本发明的家用电能路由器具有以下优越性：
本发明的家用电能路由器通过高频变压器，实现了子模块家用之间的磁隔离，在大幅降低变换器体积与重量的同时，有效提升了安全性及可靠性。家用电能路由器具有丰富的交直流端口，可以在不同电压等级下的交直流变换场合得到应用，并且能在各端口相互隔离的情况下保留对端口电压的调节能力，能够满足用户多样化的用电需求。家用电能路由器可以基于谐振支路实现功率解耦，达成对各个端口电压和功率的控制；控制结构简单，易于实现。家用电能路由器兼具不间断电源(UPS)和有源电力滤波器(APF)的功能。
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，下面将对实施例或现有技术描述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。
图1为家用电能路由器拓扑结构示意图；
图2为家用电能路由器典型拓扑结构图；
图3为家用电能路由器控制结构框图；
图4为家用电能路由器UPS的实现方法原理图；
图5为家用电能路由器按额定功率运行时的电压电流及功率波形图；
图6为连接非线性负载与电网失压时家用电能路由器的电压电流及功率波形图；
图7为家用电能路由器连接电网时软起动波形图；
图8为家用电能路由器离网时软起动波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。
本发明涉及具有混合功率平衡通道的家用电能路由器的电路拓扑，高频变流器和接口电路单元的构造方法，家用电能路由器的控制方法及所设计家用电能路由器的具体功能的实现方法，以下进行详细的说明。
一、主电路配置与控制原则
请参阅图1，是本发明家用电能路由器主电路拓扑结构示意图。家用电能路由器包括多绕组高频变压器、高频变流器，缓冲支路、接口电路和旁路交流母线。
多绕组高频变压器每个绕组的一个端子与一个缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与接口电路的输入正、负极端子相连，接口电路的输出端子连接滤波电路引出家用电能路由器的各个端口。
家用电能路由器端口包括入户电源端口、用户端口、光伏端口、储能电池端口、交流预留端口和直流预留端口；
旁路交流母线跨接在入户电源端口与用户端口之间。
具体地，多绕组高频变压器的总绕组数n可以是两绕组、三绕组、至N绕组；多绕组高频变压器的频率可以是几百赫兹至几百千赫兹范围内的任一频率。
具体地，所述高频变流器是单相半桥或者全桥电路，电平数是两电平、三电平或者多电平；入户电源端口对应的接口电路是单相全桥电路，用户端口和交流预留端口对应的接口电路是单相全桥电路或三相全桥电路；光伏、储能电池与直流预留端口对应的接口电路是直连导线、单相半桥电路或满足要求的任意直流/直流变换电路；
具体地，缓冲支路是LC串联谐振支路或单L支路，缓冲支路中的电感为变压器绕组的漏感；滤波电路是单L支路、LC滤波电路或LCL滤波电路。
图1中所示主电路中高频变流器的两电平全桥电路，包括四个功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4和直流侧电容CD1。功率开关管S1与功率开关管S2首尾顺序相连构成第一桥臂，功率开关管S3与功率开关管S4首尾顺序相连构成第二桥臂，开关管连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与第一桥臂通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与第二桥臂中点相连；第一桥臂与第二桥臂上端彼此相连构成公共上端，下端彼此相连构成公共下端，两桥臂的公共上下端分别与直流侧电容CD1两端相连，由直流侧电容两端引出端子。
图1所示主电路中高频变流器的两电平半桥电路，包括两个功率开关管S5、功率开关管S6和直流侧电容CD2。功率开关管S5与功率开关管S6首尾顺序相连，连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与桥臂中点通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与桥臂下端相连；电容CD2的一端与桥臂上端相连，另一端则与桥臂下端连接，由直流侧电容两端引出端子。
图2展示了本发明家用电能路由器的另一种优选的实施例。本实施例中各缓冲支路为LC谐振支路，各高频变流器为两电平全桥电路。
多绕组高频变压器第一绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的入户电源端口；
多绕组高频变压器第二绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接LCL滤波电路引出家用电能路由器的用户端口；
多绕组高频变压器第三绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，两电平半桥电路输出侧串联滤波电感，做三重化连接后，其输入正、负端子与高频变流器的直流正、负极端子相连引出家用电能路由器的光伏端口；
多绕组高频变压器第四绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平半桥电路的输入正、负极端子相连，两电平半桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的储能电池端口。
图3中(a)展示了本发明家用电能路由器的总体控制结构示意图。家用电能路由器根据当前运行模式与各端口所接设备，协调各高频变流器与接口电路运行或闭锁，并指定各端口输入或输出家用电能路由器功率大小，在此基础上对各高频变流器与接口电路分别进行控制，使家用电能路由器按指定要求正常运行并实现相应功能。
二、各端口高频变流器与接口电路控制方法
各端口对应的高频变流器和接口电路的具体控制方法如下。
当高频变流器同步运行时，高频变流器直流侧电容电压因谐振支路的存在而彼此平衡；当高频变流器移相运行时，通过移相调节高频变压器各绕组上的功率以实现功率解耦和直流侧电容电压控制，对其应用传统DAB的功率计算方法。此计算方法已比较成熟，因此不在本发明中赘述，仅将功率解耦计算的结果展示如下式。
Figure BDA0003742344750000131
其中0<i≤M,Vi′为各高频变流器直流侧电容电压折算值，θi为移相运行的高频变流器i交流侧方波电压相对于同步运行的高频变流器交流侧方波电压基准值V0的移相角，θi>0则向高频变流器输出功率，θi<0则反之。
各接口电路单元可根据电路拓扑所连接用电设备的不同需求，应用不同的控制策略。以下以图2所示的本发明实施例为例，介绍各接口电路单元所应用的控制方法：
入户电源端口对应的接口电路采用如下控制方法，如图3中(b)所示：
步骤1：采集直流侧电容CD1电压vD1，将vD1与所设定的电容电压参考值做差后输入PI控制器；
步骤2：功率前馈部分，控制器根据实际的功率调度情况计算出平均功率Pfwd和市电电压有效值US，得到前馈电流幅值指令
Figure BDA0003742344750000132
为
Figure BDA0003742344750000133
当端口功率突变时，功率前馈能加快并网电流的调节速度。稳态条件下，
Figure BDA0003742344750000134
为接近市电电流幅值IS的稳态值，
Figure BDA0003742344750000135
为相对较小的变量，反应接口电路单元功率器件总的有功损耗。前级PI控制环的输出电流幅值指令
Figure BDA0003742344750000136
与前馈电流幅值指令
Figure BDA0003742344750000137
相加，合成得到内环电流幅值指令
Figure BDA0003742344750000138
利用锁相环得到同步信号sin(ωt)，则并网电流瞬时值指令
Figure BDA0003742344750000139
为
Figure BDA0003742344750000141
步骤3：并网电流瞬时值指令
Figure BDA0003742344750000142
与市电电流瞬时值iS做差后输入PR控制器得到接口电路全桥电路的调制信号，调制信号经载波移相PWM调制后输出功率开关管S7，功率开关管S8，功率开关管S9和功率开关管S10的开关信号。当其余端口侧有非线性负载或电力电子装置接入时，通过上述控制过程一样可使市电端口电流始终为与市电电压同频率的标准正弦波，兼具有源电力滤波的功能。
用户端口对应接口电路应用如下控制方法，如图3中(c)所示：
步骤1：给定的输出电压参考值
Figure BDA0003742344750000143
和滤波电感L2电压前馈值vL2相加后与滤波电容电压vc做差，所得到的误差量输入PR控制器；
步骤2：前级PR控制器输出的参考电流指令iref与输出电流测量值值io做差后输入PI控制器；
步骤3：将前级PI控制器补偿后得到的控制信号与滤波电容电压vc做差后进行载波移相PWM调制，得到功率开关管S11,功率开关管S12,功率开关管S13,功率开关管S14的驱动信号，功率开关管S11与功率开关管S12的驱动信号互补，功率开关管S13与功率开关管S14的驱动信号互补，功率开关管S11相对功率开关管S13的驱动信号相位超前180°。
光伏端口的具体控制方法如图3中(d)所示，表述如下：
步骤1：对光伏电池组的输出电压，三路电感电流进行采样，三路电感电流相加即为光伏电池组的输出电流；外环为MPPT环，根据实际控制目标，如采用基于电流寻优的MPPT算法获得MPPT的指令电流；
步骤2：指令电流的1/3作为每路电感电流的参考值，参考值与实际值比较后，输入PI控制器；
步骤3：前级PI控制器输出作为调制信号，输入PWM调制模块，三路载波相同，调制后得到接口电路开关信号。
储能电池端口所采用的具体控制策略如图4中(e)所示，表述如下：
在家用电能路由器与入户电源相连时，接口电路应用基于单电流闭环的控制办法，对端口处电流进行控制，采用PI控制器，控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电；
在家用电能路由器与入户电源断开时，接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处电流和后级高频变流器直流侧电容电压进行控制，电压外环采用PI控制器，电流内环采用PI控制器，电流内环PI控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电并控制后级高频变流器直流侧电容电压稳定在额定值。
三、各端口之间的协同控制
通过各端口之间的协同控制，本发明的家用电能路由器可以实现不间断电源与有源电力滤波器的功能。
基于图2所示的家用电能路由器，作为不间断电源的具体实现方法如下：
如图4所示，供给用户的电能有两条输入通道，一条经过旁路的交流母线，另一条则经过家用电能路由器。在家用电能路由器未开机时，旁路交流母线上的开关K1是闭合的。所示转换开关K1仅作功能说明之用，并不代表本实施例中的实际电路结构。
当市电正常时，采集市电电压电流信号，并与所设定的理想情况电压电流信号进行对比做差，若误差小于所容许的最大误差限，则转换开关K1闭合，用户端口内所包括的高频变流器和接口电路处于闭锁状态；市电直接通过旁路的交流母线向用户端口所接的用电器负载供电。
当市电供电不正常时，即误差大于所容许的最大误差限，转换开关K1断开，入户电源与家用电能路由器所接的光伏模块和储能蓄电池模块共同向用户端口所接的用电器负载供电。旁路交流母线断开，控制器将前一时刻市电的相位信息进行锁存，并驱动用户端口内所包括的高频变流器全桥电路各开关管，产生与其他LC谐振支路的高频变流器单元同步的50％占空比方波开关信号；同时控制器驱动该端口接口电路全桥电路，以锁存到的市电电压电流信号作为参考信号，端口实际电压电流信号作为反馈信号，通过前述电压电流双闭环控制，保持用户端口在市电不正常时仍有理想的正弦交流电输出，实现不间断电源UPS。
图2所述家用电能路由器的软起动方方法的具体实现方法如下：
各接口电路与高频变流器中的开关管在启动初期处于闭锁状态，前述旁路交流母线上的开关K1在启动阶段也处于闭合状态；在控制器启动前，与电源相连的端口通过接口电路单元开关管所包含的体二极管或所反并联的二极管对后级高频变流器单元的直流侧电容进行充电至达到稳态电压值。
优选地，家用电能路由器各端口高频变流器直流侧电容连接同等数目的开关电源，各开关电源模块输出侧串联二极管后彼此并联，引出公共的输出端口，连接到主控制器模块为控制器供电；待电压达到主控制器模块的最低启动电压后，控制器启动，首先对与电源相连的端口内的接口电路单元开关管进行控制，使之充电达到所设定的额定电压值；然后解除与电源相连的端口内高频变流器开关管的闭锁状态，并对其开关信号占空比进行控制，使由0到50％逐渐增加，直到前述各端口高频变流器直流侧电容电压均达到额定电压值，起动结束，各端口对应高频变流器开关管驱动信号占空比保持为50％，主电路转入正常运行状态。
以上思路设计的家用电能路由器参数汇集在表1中，据此构建的MATLAB/Simulink仿真模型完全达到了预期设计目标并实现了控制功能。仿真波形汇集在图5、图6、图7、图8中。
表1家用电能路由器单机具体参数
Figure BDA0003742344750000171
图5所示为所述家用电能路由器单机额定功率下运行的仿真波形。其中图5中(a)为入户电源端口电压uS和电流iS波形；图5中(b)为光伏端口电压up和电流ip波形；图5中(c)为储能电池端口电压ub和电流ib波形；图5中(d)为用户端口电压uo和电流io波形；图5中(e)为家用电能路由器入户电源、光伏、电池、用户端口内对应高频变压器各绕组处的平均功率(P1、P2、P3、P4)，功率为正代表该端口向家用电能路由器输出功率，功率为负代表该端口从家用电能路由器吸收功率。仿真起始阶段光伏端口功率为零，储能蓄电池端口吸收功率6kW，入户电源端口输出功率为12kW，连接纯阻性负载的用户端口吸收功率为6kW；在t＝0.3s时，各端口功率进行切换，系统经短暂时间达到稳态，稳态情况下：光伏端口输出功率为6kW，储能蓄电池端口功率为零，入户电源端口输出功率为6kW，用户端口吸收功率为12kW。在t＝0.4s时，光伏等效直流源电压由360V下降至200V，此时通过控制器的调节作用，各端口仍能够在较短的时间内恢复稳定运行，具有适应宽范围直流输入的能力。通过仿真可以看出，在各端口输入输出功率发生变化时，系统能较快地恢复稳定运行。
图6展示家用电能路由器的UPS和APF功能。其中图6中(a)为入户电源端口电压uS和电流iS波形；图6中(b)为用户端口电压uo和电流io波形；图6中(c)为家用电能路由器入户电源、光伏、电池、用户端口内对应高频变压器各绕组处输入或输出的平均功率(P1、P2、P3、P4)。初始状态入户电源通过旁路交流母线直接向用户端口用电负载供电，光伏端口输出功率为6kW，储能蓄电池端口吸收功率为6kW，入户电源与用户端口对应的高频变压器绕组处功率为0。用户端口处电能并不由家用电能路由器中的家用变换器部分直接供电，光伏与电池端口间实现功率平衡。t＝0.3s时，入户电源端口电压幅值由311V降至211V，此时旁路交流母线断开，用户端口改由家用电能路由器中的多绕组变换器部分直接供电，用户端口吸收功率为6kW。由图6中(b)可以看出，在瞬态切换前后，用户端口电流电压始终保持一致，实现不间断电源UPS的功能。0.5s前用户端口接纯阻性负载；在t＝0.5s时，再接入一个包含二极管整流桥的非线性负载，此时由图6中(b)可以看出，用户端口电流波形发生明显畸变，而图6中(a)中与市电相连的入户电源端口，并网电流iS和电压uS均保持理想的同相位标准正弦波，实现有源电力滤波。
图7展示的是所述家用电能路由器连接电网时单机起动的波形。起动时家用电能路由器由入户电源端口供电而其余端口均做空载运行，同时旁路交流母线上的开关闭合。图7中(a)为直流侧电容(CD1、CD2、CD3、CD4)两端的电压(uD1、uD2、uD3、uD4)的波形；图7中(b)为入户电源端口处电流iS的波形，图7中(c)为入户电源端口高频变压器绕组处电压u1波形，图7中(d)为入户电源端口内LC支路上电流i2的波形，图7中(e)为电池端口内绕组处电压u3的波形。仿真从t＝0s开始，入户电源端口内接口电路单元在没有驱动信号的情况下以二极管桥的形式对CD1进行充电至稳态，同时由于旁路交流母线上的开关闭合，用户端口内接口电路单元也以二极管桥的形式对CD4进行充电至稳态；0.05s时刻，该端口高频变流器交流侧电压脉冲占空比从0％开始线性增加，同时控制器对接口电路全桥电路进行控制，使该端口高频变流器直流侧电容上的电压增加至额定电压，其余端口开关管仍闭锁，直流侧电容电压逐渐上升；t＝0.36s时，核心电路单元交流侧输出的电压脉冲占空比达到50％，直流侧电容上的电压达到额定电压值，切除起动电阻，起动结束。从图中可以看出，启动阶段各端口高频变流器直流侧电容电压缓慢上升，图7中(d)展示的入户电源端口LC支路充电电流和图7中(b)展示的入户电源端口的端口处充电电流表明，在该方法下，启动过程冲击电流得到了有效的抑制。
图8展示的是所述家用电能路由器离网起动的波形。起动时家用电能路由器由储能电池端口供电而其余端口均做空载运行，同时旁路交流母线上的开关闭合。图8中(a)为高频变流器直流侧电容(CD1、CD2、CD3、CD4)两端的电压(uD1、uD2、uD3、uD4)的波形；图8中(b)为电池端口对应高频变压器绕组处两端电压u3的波形，图8中(c)为电池端口对应的LC谐振支路上的电流i3波形，图8中(d)为电池端口处电流ib的波形，图8中(e)为用户端口对应高频变压器绕组两端电压u4的波形。仿真从t＝0s开始，入户电源端口内接口电路单元在没有驱动信号的情况下以二极管桥的形式对CD4进行充电至稳态；0.1s时刻，该端口高频变流器电压脉冲占空比从0％开始线性增加。如图8中(b)所示，0.15s开始控制器对该端口接口电路桥式电路进行控制，使该端口直流电容上的电压增加至额定电压，其余端口开关管仍闭锁，直流侧电容电压逐渐上升；t＝0.8s时，高频变流器交流侧输出的电压脉冲占空比达到50％，直流电容上的电压达到额定电压值，此时切除起动电阻，起动结束。从图中可以看出，起动阶段各端口高频变流器直流侧电容电压缓慢上升，图8中(c)展示的电池端口LC支路充电电流和图8中(d)展示的电池端口处充电电流表明，在该方法下，启动过程冲击电流得到了有效的抑制。
以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种家用电能路由器，其特征在于，包括：多绕组高频变压器、缓冲支路、高频变流器、接口电路和旁路交流母线；
所述多绕组高频变压器每个绕组的一个端子与一个缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与接口电路的输入正、负极端子相连，接口电路的输出端子连接滤波电路引出家用电能路由器的各个端口；
所述端口包括入户电源端口、用户端口、光伏端口、储能电池端口、交流预留端口和直流预留端口；
所述旁路交流母线跨接在入户电源端口与用户端口之间。
2.根据权利要求1所述的一种家用电能路由器，其特征在于：
所述高频变流器是单相半桥或者全桥电路，电平数是两电平、三电平或者多电平；
所述高频变流器为两电平全桥电路，包括四个功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4和直流侧电容CD1；功率开关管S1与功率开关管S2首尾顺序相连构成第一桥臂，功率开关管S3与功率开关管S4首尾顺序相连构成第二桥臂，开关管连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与第一桥臂通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与第二桥臂中点相连；第一桥臂与第二桥臂上端彼此相连构成公共上端，下端彼此相连构成公共下端，两桥臂的公共上下端分别与直流侧电容CD1两端相连，由直流侧电容两端引出端子；
高频变流器为两电平半桥电路，包括两个功率开关管S5、功率开关管S6和直流侧电容CD2；功率开关管S5与功率开关管S6首尾顺序相连，连接点处为桥臂中点；多绕组变压器的单个绕组引出两个端子，其中一个与桥臂中点通过LC谐振支路或单L支路相连，另一端子直接与桥臂下端相连；电容CD2的一端与桥臂上端相连，另一端则与桥臂下端连接，由直流侧电容两端引出端子。
3.根据权利要求1所述的一种家用电能路由器，其特征在于：
所述入户电源端口对应的接口电路是单相全桥电路，用户端口和交流预留端口对应的接口电路是单相全桥电路或三相全桥电路；光伏端口、储能电池端口与直流预留端口对应的接口电路是直连导线、单相半桥电路或直流/直流变换电路；
多绕组高频变压器第一绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的入户电源端口；
多绕组高频变压器第二绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平全桥电路的输入正、负极端子相连，两电平全桥电路的输出端子连接LCL滤波电路引出家用电能路由器的用户端口；
多绕组高频变压器第三绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，两电平半桥电路输出侧串联滤波电感，做三重化连接后，其输入正、负端子与高频变流器的直流正、负极端子相连引出家用电能路由器的光伏端口；
多绕组高频变压器第四绕组的一个端子与缓冲支路的一个端子相连，缓冲支路的另一个端子与高频变流器的交流正端子相连，高频变流器的交流负端子与绕组的另一个端子相连，高频变流器的直流正、负极端子分别与两电平半桥电路的输入正、负极端子相连，两电平半桥电路的输出端子连接滤波电感引出家用电能路由器的储能电池端口。
4.根据权利要求1所述的一种家用电能路由器，其特征在于：
所述多绕组高频变压器的总绕组数n为2～N；所述多绕组高频变压器的频率是几百赫兹～几百千赫兹；
所述缓冲支路是LC串联谐振支路或单L支路，缓冲支路中的电感为变压器绕组的漏感；
所述滤波电路是单L支路、LC滤波电路或LCL滤波电路。
5.一种如权利要求1所述家用电能路由器的控制方法，其特征在于，包括：
当一端口不进行功率传输时，将与该端口连接的高频变流器与接口电路闭锁；当一端口进行功率传输时，指定其输入或输出家用电能路由器功率大小，在此基础上对各高频变流器与接口电路分别进行控制，使所述家用电能路由器的输入功率等于输出功率，并实现不间断电源和有源电力滤波器的功能。
6.根据权利要求5所述的家用电能路由器控制方法，其特征在于，所述对各高频变流器与接口电路分别进行控制，包括：
当各高频变流器开关频率等于LC谐振频率时，与LC谐振支路相连的各高频变流器同步运行，与单L支路相连的各高频变流器移相运行；
当各高频变流器的开关频率不等于LC谐振频率时，所有高频变流器均移相运行。
7.根据权利要求5所述的家用电能路由器控制方法，其特征在于，入户电源端口、用户端口、光伏端口与储能电池端口接口电路的控制包括；
入户电源端口对应接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处电流和后级高频变流器直流侧电容电压进行控制，电流内环采用PR控制器，电压外环采用PI控制器，电流内环PR控制器输出的调制信号经载波移相PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号；
用户端口对应接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处输出电压和电流进行控制，电流内环采用PI控制器，电压外环采用PR控制器，电流内环PI控制器输出的调制信号经载波移相PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号；
光伏端口对应接口电路在后级高频变流器做移相运行时为直连导线，无需控制；在后级高频变流器同步运行时，接口电路应用基于最大功率点跟踪MPPT的闭环控制，控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使光伏端口始终运行在最大功率输出状态；
储能电池端口对应接口电路在后级高频变流器做移相运行时为直连导线，无需控制；在后级高频变流器同步运行且家用电能路由器与入户电源相连时，接口电路应用基于单电流闭环的控制办法，对端口处电流进行控制，采用PI控制器，控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电；在后级高频变流器同步运行且家用电能路由器与入户电源断开时，接口电路应用基于电压电流双闭环的控制办法，对端口处电流和后级高频变流器直流侧电容电压进行控制，电压外环采用PI控制器，电流内环采用PI控制器，电流内环PI控制器输出的调制信号经PWM调制模块后得到对应接口电路开关信号，使储能电池按设定功率值充电或放电并控制后级高频变流器直流侧电容电压稳定在额定值。
8.根据权利要求5所述的家用电能路由器控制方法，其特征在于，实现不间断电源，具体包括：
当市电电压稳定时，旁路交流母线上的开关闭合，用户端口对应高频变流器与接口电路闭锁，入户电源端口经旁路交流母线直接向用户端口供电；当市电失压时，旁路交流母线被切断，用户端口对应高频变流器与接口电路解除闭锁，由家用电能路由器向用户端口所接负载供电，通过控制用户端口对应的接口电路，以采集到的市电失压前用户端口输出电压幅值、相位以及输出电流作为参考信号，借助电压电流双闭环控制，使用户端口电压电流在市电失压前后保持一致。
9.根据权利要求5所述的家用电能路由器控制方法，其特征在于，实现有源电力滤波器的功能，包括：
当用户端口接入非线性负载时，对入户电源端口对应的接口电路应用电压电流双闭环控制，使入户电源端口处的电压和电流保持为理想的同相位正弦波形，实现有源电力滤波。
10.一种如权利要求1所述家用电能路由器的软起动方法，其特征在于，包括：
所述家用电能路由器在连接供电端口的情况下启动，所述接口电路与滤波电路连接后串联限流电阻到各供电端口；
所述各接口电路与高频变流器中的开关管在起动初期处于闭锁状态，旁路交流母线上的开关在启动阶段也处于闭合状态；在控制器启动前，供电端口通过其对应接口电路开关管所包含的体二极管或所反并联的二极管对后级高频变流器的直流侧电容充电至达到稳态电压值；
待输入电压达到主控制器模块的最低启动电压后，控制器启动，首先对供电端口对应的接口电路开关管进行控制，使之对后级高频变流器的直流侧电容继续充电至达到所设定的额定电压值；然后解除供电端口内高频变流器开关管的闭锁状态，并对其开关信号占空比进行控制，使由0到50％逐渐增加，直到各端口高频变流器直流侧电容电压均充电达到额定电压值，起动结束。
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