CN115515818A - 用于双向能量流的供电系统 - Google Patents

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加布里埃尔·伊格纳西奥·奥尔蒂斯
朴起范
丹尼尔·罗斯蒙德
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Abstract

本发明涉及一种供电系统(10)，特别是用于中压电网(11)与低压用电站点(60)之间的双向能量流的供电系统(10)。系统(10)包括馈电系统(25)，馈电系统(25)被配置用于将来自中压电网(11)的AC中压电力信号转换为用于向用电站点(60)馈电的低压电力信号(29)。此外，系统(10)包括：低压多相转换器(40)，被配置用于将低压信号(41，42)转换为低压多相信号(49)，其中多相转换器(40)与馈电系统(25)反并联布置；以及LV/MV多相变压器(50)，被配置用于将低压多相信号(49)转换为符合AC中压电力信号(11)的输出信号(59)。

Description

用于双向能量流的供电系统
技术领域
本发明涉及例如用于电动汽车的电源领域，特别是用于中压电网与低压用电站点之间的双向能量流。本发明还涉及一种方法和电源的用途。
背景技术
电源(例如用于电动汽车(EV)和其他低压(LV)用电站点的充电系统)需要高功率水平。因此，在许多情况下，中压电网(MV电网)用作电源的基础。另外，对于许多系统，需要满足MV电网标准的法律条件和/或其他要求。此外，在一些情况下，还要求将充电站LV侧可用的太阳能电池板和其他能源馈电到MV电网。因此，需要支持这些电源的至少部分双向功率流。这可能导致为充电极馈电的系统前端体积庞大。
发明内容
因此，本发明的目标是提供一种用于例如电动汽车的低压用电站点的改进的电源。此目标是通过独立权利要求的主题来实现。其他实施例从附属专利权利要求和以下描述显而易见。
一方面涉及一种用于中压电网与低压用电站点之间的双向能量流的供电系统。该供电系统包括馈电系统，该馈电系统被配置用于将来自中压电网的AC中压电力信号转换为用于向用电站点馈电的低压电力信号。此外，供电系统包括：低压多相转换器，被配置用于将基于来自用电站点的第一低压信号的第二低压信号转换为低压多相信号，其中多相转换器与馈电系统反并联布置；以及LV/MV多相变压器，被配置用于将低压多相信号转换为符合AC中压电力信号的输出信号。
双向能量流用于支持从中压(MV)电源到低压(LV)汇点以及从LV电源到MV汇点的能量输送。能量的能量流可能是不对称的，例如，从LV电源到MV汇点的能量流比从MV电源到LV汇点的要低，甚至可能要低得多。MV电源和汇点可以为例如具有50Hz或60Hz的频率和约10kV至30kV的电压的MV电网。LV电源和汇点可以为双向低压用电站点，例如，电动汽车充电系统，被配置为将低压用电站点可用的电池、太阳能电池板和其他电源等能源馈电到MV站点，例如进入MV电网。在一些情况下，LV站点的电池可以用于电网稳定。
馈电系统使用MV电源，并且输送LV DC电压或LV AC电压，可能是频率为约5kHz–100kHz的LV HF-AC(高频交流)电压。LV用电站点的低压电力信号可以是固定的，并且电压范围为约400V至1000V，或约230V或约110V。LV用电站点可以包括其他模块，例如用于将LV信号转换为用于EV站的标准化信号，可能转换为可变和/或受控电压。
来自LV电源的低压多相转换器的类型取决于LV电源输送的信号类型。例如，LV电源可以为电池，其将DC电压作为第一低压信号输送，该DC电压作为第二低压信号直接馈送到多相转换器的输入。作为另一示例，LV电源可以为作为第一低压信号的HF-AC，并且可以由AC/DC转换器转换为作为第二低压信号的DC信号。另外或备选地，LV电源可以为系统允许将其馈电给MV电网的任何类型的多余能量。
多相转换器可以产生例如3相50Hz信号。此信号可能取决于MV电网中的信号类型。多相转换器可以进一步充当有源滤波器，从而以灵活的方式满足MV电网标准。LV/MV多相变压器可以将低压多相输出信号转换为符合AC中压电力信号的输出信号。可以通过多相转换器和LV/MV多相变压器的组合来建立一致性。一致性可能意味着，例如与MV电网具有相同的相位，并且满足其他MV电网要求，例如关于由IEEE 519和/或IEC 61000-3-6确定的电流谐波限值和/或其他要求。
因此，供电系统的特征有利地导致了一种以低失真控制双向功率流的系统。清晰的概念进一步导致了例如关于LV电源的数量高度灵活的系统。此外，系统组件的尺寸小(例如，与传统的50Hz变压器相比)和/或系统的制造和/或维护成本低。
在各种实施例中，馈电系统包括线路相间变压器(LIT)。馈电系统可以被实施为基于LIT的整流器。LIT可以是脉冲数目为12、18、24或大于24的多脉冲LIT。因此，由于多脉冲LIT，无源主整流器的谐波可能非常小。此外，有源滤波器可以被设计为仅为全站功率的一小部分。这可能有助于使用非常小的50Hz有源滤波器变压器，并且可能导致降低成本和/或小的空载损耗。
在各种实施例中，低压多相转换器为基于MV电网的信号注入电流的有源滤波器。特别是，多相转换器注入电流，从而减少MV电网中大于或等于2的电流谐波。这不仅有利地有助于对“反向”馈送至MV电网的电流进行失真补偿，而且还可能有助于整个供电系统的失真补偿，从而进一步改善其与AC中压电力信号的一致性。
在各种实施例中，系统还包括第一电感器，该第一电感器被布置在AC中压电力信号与馈电系统之间，并且被布置在AC中压电力信号与LV/MV多相变压器之间。因此，连接MV电网和例如基于LIT的整流器的电感器被设计用于降低可能影响MV电网的失真因子和/或电流谐波。在至少一些国家，这可能是例如符合相关MV电网标准(例如符合IEEE 519或IEC61000-3-6)的法律和/或标准要求。有利地，无需复杂且昂贵的MV电网有源前端即可满足所述要求，从而实现更简单的设计、更低的制造成本和/或减少维护工作量。
在各种实施例中，LV多相DC/AC转换器包括多相开关子系统和第二电感器，该第二电感器被布置在多相开关子系统与LV/MV多相变压器之间。第二电感器可以集成到LV/MV多相变压器中。这种布置可以有助于进一步减小转发到MV电网的失真因子。
在各种实施例中，供电系统还包括转换器，该转换器被配置用于将来自用电站点(60)的第一低压信号转换为DC低压信号。转换器可以为DC/AC转换器、AC/AC转换器和/或具有DC/AC转换器的AC/DC转换器。转换器的类型可能取决于LV电源，例如电源是DC电源还是AC电源，和/或AC电源的频率。因此，转换器可以使LV电源的电压和/或频率适应低压多相DC/AC转换器的输入。这有利地允许使用多种LV电源来反馈其能量。
一方面涉及一种用于支持中压电网与低压用电站点之间的双向能量流的方法。该方法包括以下步骤：
通过馈电系统将来自中压电网的AC中压电力信号转换为用于用电站点的低压电力信号；
从用电站点输出第一低压信号；
将基于第一低压信号的第二低压信号馈送到低压多相DC/AC转换器中，该低压多相DC/AC转换器与馈电系统反并联布置；
将低压多相信号从低压多相DC/AC转换器的输出转发到LV/MV多相变压器；以及
通过LV/MV多相变压器将低压多相输出信号转换为符合AC中压电力信号的输出信号。
在各种实施例中，馈电系统包括线路相间变压器LIT。LIT可以是脉冲数目为12、18、24或大于24的多脉冲LIT。
在各种实施例中，通过具有大降压增益的模块化DC/DC转换器和用于电流绝缘的中频变压器来实现将DC中压电力信号转换为用于用电站点的低压电力信号。
在各种实施例中，方法还包括以下步骤：通过第一电感器对来自馈电系统的AC中压电力信号和来自LV/MV多相变压器的AC中压电力信号进行滤波。
一方面涉及一种如上文和/或下文所描述的用于从中压电网向低压用电站点以及从低压用电站点向中压电网输送能量的双向供电系统。
一方面涉及一种如上文和/或下文所描述的双向供电系统用于从中压电网向低压用电站点(LV站点)以及从LV站点向中压电网输送能量的用途。低压用电站点可以为用于为电动汽车、数据中心和/或多个低压驱动器充电的充电箱和/或充电极，并且被配置为从电池、太阳能电池板和/或其他能量生产设备输送能量。作为另一示例，具有用电设备(例如电动机)和多个太阳能电池板(例如安装在屋顶上)的制造站点可以为LV站点。
为进一步清楚说明，本发明通过图式中所示的实施例来描述。这些实施例仅被视为示例，而不视为限制。
附图说明
图式描绘：
图1a、图1b、图1c示意性地为根据实施例的供电系统的部分的各种设计；
图2a、图2b示意性地为根据其他实施例的供电系统的部分的各种设计；
图3示意性地为根据实施例的供电系统；
图4示意性地为根据实施例的方法；
图5示意性地为图3的系统的示例；
图6示意性地为图3的系统的另一示例；
图7示意性地为图3的系统的另一示例；
图8示意性地为与图5类似的模拟示例；
图9a至图9e示意性地为根据实施例的供电系统的MV电网行为的模拟。
具体实施方式
图1a示出了具有50Hz MV/LV变压器12的供电系统10，用于与MV电网或AC中压电力信号11绝缘。50Hz低压信号由50Hz LV/LV变压器14变换。LV/LV变压器14将多个充电极19彼此电流分离。低频变压器的两个转换级可能会导致系统的占地面积和尺寸大。在每个LV/LV变压器14与各自的充电极19之间布置有AC/DC变压器和DC/DC变压器。
图1b示出了具有多绕组50Hz变压器13的供电系统10。这是具有一个转换级的系统，从而既将MV转换为LV，又相互提供多个充电极19。图1c示出了具有50Hz MV/LV变压器12的第一转换级的供电系统10。作为第二转换级，系统10具有低压中频变压器LV/LV-MFT 17，其较高频率由DC/AC变压器提供。
图2a示出了具有MV MFT 14的供电系统10，用于与MV电网11进行电流分离。此外，其还具有用于使充电极19彼此电流分离的LV/LV MFT 17。
图2b示出了具有第一转换级MV/LV-MFT 15的供电系统10，其由用于高频的MV-DC/AC转换器HF-AC馈电。第二转换级为用于使充电极19彼此电流分离的LV/LV MFT 17。
图3示出了供电系统10的示意图。供电系统10在其“正向分支”中具有馈电系统25。馈电系统25被配置用于将来自中压电网(MV电网)11的AC中压电力信号转换为低压电力信号(LV信号)29。LV信号29可以向多个用电站点(LV站点)60馈电。LV站点可以具有例如用于控制和/或分配电力的其他模块。示例可以包括用于电动汽车的充电系统。至少一些LV站点60可以具有双向能量流，即一些LV站点可以被配置为在正向方向上输送能量，一些LV站点在反向方向上输送能量和/或一些LV站点在两个方向上输送能量。
在“反向分支”(即与馈电系统25反并联布置)中，馈电系统10具有低压多相DC/AC转换器40。低压多相DC/AC转换器40被配置用于将基于来自用电站点60的第一低压信号68、69的第二DC低压信号41、42转换为低压多相信号49。例如在LV站点40将DC功率信号作为第一低压信号68、69输送的情况下，多相转换器40可以直接连接到一个或多个LV站点60。多相转换器40可以通过转换器30连接到一个或多个LV站点60。转换器30可以被配置用于将来自用电站点60的第一低压信号68、69转换为DC低压信号41、42。转换器30为DC/AC转换器、AC/AC转换器和/或具有DC/AC转换器的AC/DC转换器。这可以取决于输送电力站点60的第一低压信号68、69的类型。转换器30可以例如作为其硬件部分与多相转换器40集成。转换器30可以为单独的部件或与一个或多个LV站点60集成。多相转换器40可以在其输出49上输送例如3相的信号。低压多相信号49被转发到LV/MV多相变压器50。LV/MV多相变压器50将LV多相信号49转换为与MV电网11的AC中压电力信号一致的MV输出信号59。一致性可能意味着，例如与MV电网具有相同的相位，并且满足其他MV电网要求，例如关于由IEEE 519和/或IEC61000-3-6确定的电流谐波限值和/或其他要求。
图4示意性地示出了根据实施例的方法的流程图70。流程图70描绘一种用于支持中压电网11(参见例如图3)与低压用电站点60之间的双向能量流的方法。在步骤71中，通过馈电系统25将来自中压电网的AC中压电力信号11转换为用于用电站点60的低压电力信号29。在步骤72中，从用电位点60输出第一低压信号68、69。在步骤73中，将基于第一低压信号68、69的第二低压信号41、42馈电到低压多相DC/AC转换器40中，该低压多相DC/AC转换器40与馈电系统25反并联布置。在步骤74中，将低压多相信号49从低压多相DC/AC转换器40的输出转发到LV/MV多相变压器50。在步骤75中，通过LV/MV多相变压器50将低压多相输出信号49转换为符合AC中压电力信号11的输出信号59。步骤72至75可以与步骤71并行地执行。
图5示意性地示出了图3的系统的示例。供电系统10的此实施例包括具有12脉冲LIT 23的基于LIT的整流器25。LIT 23的每个输入22a、22b、22c通过电感器20a、20b、20c连接到MV电网11的每个相11a、11b、11c。基于LIT的整流器25产生用于向多个用电站点60馈电的LV电力信号29。基于LIT的整流器的第一部件是12脉冲LIT(线路相间变压器)32，其输出35被馈送到多脉冲二极管整流器37。图5(以及类似地，图6)中所示的LIT将耦合LIT的电感组件的磁芯描述为通过磁阻耦合的线(小矩形框作为等效电路图)。
在“反向方向”上，至少一些LV站点60可以在大约5kHz–20kHz和/或其他频率范围内以固定或可变频率输送不同类型(即，可能地不同和/或可变电压、不同频率(可能地50Hz、60Hz)的DC和/或AC)的第一LV电力信号68、69，。根据LV电源的类型，转换器30布置在供电系统10的“反向分支”中。转换器30将第二DC低压信号41、42馈送到LV多相DC/AC转换器40。多相转换器40产生馈送到LV/MV多相变压器50的低压多相信号49。多相转换器40包括多相开关子系统44和第二电感器46。第二电感器46布置在多相开关子系统44与LV/MV多相变压器50之间。备选地，第二电感器46可以为LV/MV多相变压器50的一部分。LV/MV多相变压器50将低压多相信号49转换为输出信号59，并且通过输出信号59和MV电网11的每个相位的电感器20a、20b、20c将输出信号59馈送到MV电网11。与AC中压电力信号11一致的输出信号59以及其失真因子通过电感器20a、20b、20c进一步减小。电感器20a、20b、20c的电感可以非常小；对于具有12脉冲LIT的所示实施例，示例可以为大约34mH。
图6示意性地示出了图3的系统的另一示例。供电系统10的此实施例包括具有18脉冲LIT 23的基于LIT的整流器25。较高数量的脉冲可能有利地导致较小的失真因子，从而进一步减小电感器20a、20b、20c。在其他方面，图6的实施例与图5的实施例非常相似。特别是，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图7示意性地示出了图3的系统的另一示例。供电系统10的此实施例包括馈电系统25中的简单二极管电桥。在其他方面，图6的实施例与图5的实施例非常相似。特别是，相同的附图标记表示相同或相似的部件。
图8示意性地示出了与图5类似的供电系统10的模拟示例。馈电系统25以UDC＝12.4kV的电压向多个LV站点60输送2MW的最大功率。LV站点60输送246kVA的功率，电压为UDC,AF＝1kV。LV/MV多相变压器50将其转换为10kV的电压。模拟结果如图9a至图9d所示。
图9a示出了MV电网电压(上图)和基于LIT的整流器(下图)的12脉冲输入电流的模拟波形，整流电流为I＝124A。图9b示出了布置在“反向分支”中的有源滤波器40的效果。在上图中，直线示出了基于LIT的整流器输入电流。在下图中，曲线示出了有源滤波器注入的“校正”电流。从上图中的虚线曲线可以看出效果：虚线曲线示出了具有低失真的非常平滑的曲线。这在图9c至图9e的图表中也可见。图9c示出了图8中基于LIT的整流器25产生的第11和第13次电流谐波。图9d示出了有源滤波器注入电流的结果。很明显，失真能量显著降低。图9e示出了此示例中注入电流的样子。
附图标记
10 供电系统
11 中压电网/MV电网
11a,11b,11c MV电网的相位
12 MV/LV变压器
13 变压器
14 MV/LV变压器
15 MV/LV-MFT
17 LV/LV-MFT
19 充电极
20 第一电感器20a、20b、20c
22a,22b,22c LIT的输入
23 线路相间变压器LIT
25 基于LIT的整流器
29 LV电力信号
30 转换器
40 多相DC/AC转换器
41,42 低压信号
44 开关子系统
46 第二电感器
49 多相输出信号
50 多相变压器
59 MV输出信号
60 低压站点，LV站点
68,69 低压电力信号
70 流程图
71-75 步骤

Claims (13)

1.一种用于中压电网(11)与低压用电站点(60)之间的双向能量流的供电系统(10)，所述系统(10)包括：
馈电系统(25)，被配置用于将来自所述中压电网(11)的AC中压电力信号转换为用于向所述用电站点(60)馈电的低压电力信号(29)；
低压多相转换器(40)，被配置用于将基于来自所述用电站点(60)的第一低压信号(68，69)的第二低压信号(41，42)转换为低压多相信号(49)，其中所述多相转换器(40)与所述馈电系统(25)反并联布置；以及
LV/MV多相变压器(50)，被配置用于将所述低压多相信号(49)转换为符合所述AC中压电力信号(11)的输出信号(59)。
2.根据权利要求1所述的供电系统(10)，
其中所述馈电系统(25)包括线路相间变压器LIT。
3.根据权利要求2所述的供电系统(10)，
其中所述LIT是脉冲数目为12、18、24或大于24的多脉冲LIT。
4.根据前述权利要求中任一项所述的供电系统(10)，
其中所述低压多相转换器(40)是基于所述MV电网(11)的所述信号注入电流的有源滤波器。
5.根据前述权利要求中任一项所述的供电系统(10)，
还包括第一电感器(20)，所述第一电感器(20)被布置在所述AC中压电力信号(11)与所述馈电系统(25)之间并且被布置在所述AC中压电力信号(11)与所述LV/MV多相变压器(50)之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的供电系统(10)，
其中所述LV多相DC/AC转换器(40)包括多相开关子系统(44)和第二电感器(46)，所述第二电感器(46)被布置在所述多相开关子系统(44)与所述LV/MV多相变压器(50)之间。
7.根据前述权利要求中任一项所述的供电系统(10)，
还包括转换器(30)，所述转换器(30)被配置用于将来自所述用电站点(60)的所述第一低压信号(68，69)转换为DC低压信号(41，42)，
其中所述转换器(30)是DC/AC转换器、AC/AC转换器和/或具有DC/AC转换器的AC/DC转换器。
8.一种用于支持中压电网(11)与低压用电站点(60)之间的双向能量流的方法，所述方法包括以下步骤：
借助馈电系统(25)将来自所述中压电网的AC中压电力信号(11)转换为用于所述用电站点(60)的低压电力信号(29)；
从所述用电站点(60)输出第一低压信号(68，69)；
将基于所述第一低压信号(68，69)的第二低压信号(41，42)馈送到低压多相DC/AC转换器(40)中，所述低压多相DC/AC转换器(40)与所述馈电系统(25)反并联布置；
将低压多相信号(49)从所述低压多相DC/AC转换器(40)的输出转发到LV/MV多相变压器(50)；以及
借助所述LV/MV多相变压器(50)将所述低压多相输出信号(49)转换为符合所述AC中压电力信号(11)的输出信号(59)。
9.根据权利要求7所述的方法，
其中所述馈电系统(25)包括线路相间变压器LIT。
10.根据权利要求8所述的方法，
其中所述LIT是脉冲数目为12、18、24或大于24的多脉冲LIT。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，还包括以下步骤：
借助第一电感器(20)对来自所述馈电系统(25)的AC中压电力信号(11)和来自所述LV/MV多相变压器(50)的所述AC中压电力信号(11)进行滤波。
12.一种根据权利要求1至6中任一项所述的双向供电系统(10)，用于从中压电网向低压用电站点(60)输送能量以及从所述低压用电站点(60)向所述中压电网输送能量。
13.一种根据权利要求11所述的双向供电系统(10)的用途，用于从中压电网向低压用电站点(60)输送能量以及从所述低压用电站点(60)向所述中压电网输送能量，
其中所述低压用电站点(60)是用于为电动汽车、数据中心和/或多个低压驱动器充电的充电箱(60)和/或充电极，并且被配置为从电池、太阳能电池板和/或其他能量生产设备输送能量。
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