CN219204098U - 基于多模式变换器的能量路由器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于多模式变换器的能量路由器装置，包括电网端口、光伏端口、高压直流端口、低压直流端口、第一变换器、第二变换器和第三变换器；电网端口的能量路由线路通过第二变换器与公共直流母线连接，光伏端口的路由线路通过第一变换器与公共直流母线连接，高压直流端口的路由线路与公共直流母线连接，低压直流端口的路由线路通过第三变换器与公共直流母线连接；通过第一变换器不断调节光伏端口的输出电压，使光伏端口始终运行在P‑V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT；还通过第二变换器结合单极性PWM调制，再通过第三变换器结合LLC谐振变换器控制和高频变压器设计实现了电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
Description
技术领域
本实用新型涉及电能系统技术领域中的路由器，尤其涉及一种基于多模式变换器的能量路由器装置。
背景技术
电力能量路由器是指一种可实现能量的多向流动能力和对功率流的主动控制的设备；作为配电网中分布式电源、无功补偿设备、储能设备、负荷等的智能接口，应该在保证电能质量的前提下，灵活地管理区域电网内部及整个配电网中的动态电能；与信息技术的融合使电能路由器拥有通讯和智能决策能力，可根据网络运行状态以及用户和控制中心的指令，实现对电力网络能量流的主动管理。
目前，MPPT控制虽然使光伏端口运行在最大功率点处，但是由于光照强度、温度等外界条件不断变化，其输出功率也随之改变，如果不对直流母线电压加以控制，必然由于能量波动而导致其相应变化；当光伏端口输出的能量突然增加时，未能及时通过逆变器送入电网或被负荷消耗的多余能量将会使直流母线电压升高，电压过高容易导致电解电容或开关管因过压而损坏；相反，若光伏端口输出的能量突然减小时，直流母线电压将会降低，若过低达不到交流电压的峰值，则无法实现逆变，能量将会由电网经开关管的反并联二极管以不控整流的方式反向流入逆变器，逆变器电流将不受控制；为此，需要设计一种基于多模式变换器的能量路由器装置来满足要求。
实用新型内容
实用新型目的：针对上述情况，为解决目前背景技术中的问题，本实用新型提供一种基于多模式变换器的能量路由器装置，其通过第一变换器不断调节光伏端口的输出电压，使光伏端口始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT；还通过第二变换器结合单极性PWM调制并具有漏电流小和效率高的优点，再通过第三变换器结合LLC谐振变换器控制和高频变压器设计以实现电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
技术方案：为实现上述目的，本实用新型基于多模式变换器的能量路由器装置包括电网端口、光伏端口、高压直流端口、低压直流端口、第一变换器、第二变换器和第三变换器，所述电网端口的能量路由线路通过第二变换器与公共直流母线连接，所述光伏端口的路由线路通过第一变换器与公共直流母线连接，所述高压直流端口的路由线路与公共直流母线连接，所述低压直流端口的路由线路通过第三变换器与公共直流母线连接，所述第一变换器、第二变换器和第三变换器之间采用公共直流母线相互连接；所述光伏端口和高压直流端口通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第二变换器回馈至电网端口，所述光伏端口、电网端口和高压直流端口通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第三变换器给低压直流端口供电。
第一变换器采用BOOST变换器，且输出电压小于550V以及工作频率为60kHz，第一变换器用于调节光伏端口的输出电压，并使光伏端口始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，以实现MPPT。
第一变换器采用单电压控制的BOOST变换器拓扑结构使光伏端口运行在PV特性曲线最大功率点处。
第二变换器采用HERIC变换器，并采用单极性PWM调制。
第二变换器在零电压状态时避免交流侧L和直流侧C之间无功功率的交换，以及在零电压状态时将光伏端口和电网端口隔离。
第三变换器采用实现恒压、恒流和恒功率放电BUCK-BOOST变换器，以及实现高频隔离的LLC谐振变换器。
第一变换器的电路组成为BOOST升压变换器主功率电路、BOOST主功率驱动电路、PV侧共模滤波对地绝缘监测霍尔电流传感器采样电路、绝缘监测差分采样电路、PV侧直流电压采样调理电路和温度采样电路。
第二变换器的电路组成为HERIC变换器主功率电路、交流侧共模滤波霍尔电流采样漏电流检测电路、继电器预充电霍尔交流电压采样电路和温度采样电路。
第三变换器的电路组成为BUCK-BOOST变换器主功率电路、LLC谐振变换器原副边主功率电路、直流电压采样电路、BUCK-BOOST变换器LLC谐振变换器驱动电路、电池侧直流电流霍尔采样电路和温度采样电路。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
(1)首先设置第一变换器及其采用的BOOST升压变换器拓扑结构使用单电压环控制，不断调节光伏端口的输出电压，使光伏端口始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT，与此同时利用采样得到的光伏端口输出电压和输出电流，经过MPPT算法得到光伏端口输出电压的参考值，再将其与光伏端口输出电压的实际值之间的误差经PI调节后与三角波比较，从而产生PWM信号，不仅具有小型化的特点，还兼顾了效率和EMI。
(2)通过设置有的第二变换器及其采用的HERIC拓扑结构结合单极性PWM调制并具有漏电流小和效率高的优点，且在零电压状态时避免交流侧L和直流侧C之间的无功功率交换从而提高效率，还能在零电压状态时将光伏模块和电网隔离从而消除了对地电压的高频成分，进而抑制了漏电流。
(3)通过设置第二变换器及其采用的HERIC拓扑结构并网电流控制采用电压电流双闭环结构，其中电压外环维持直流母线电压稳定，将给定直流电压值与实际直流电压值之间的误差通过PI调节，输出量作为交流电流的幅值给定，并将其与电网电压经过锁相环得到的单位正弦信号相乘作为交流电流给定值；电流内环实现对交流电流的控制，将给定值与实际值之间的误差经过PI调节后与三角波比较产生PWM信号，控制H5桥逆变器的开关管，最终得到正弦交流输出电流，且与电网频率、相位一致，输出功率因数为1。
(4)通过设置第三变换器及其采用的BUCK-BOOST变换器和LLC谐振变换器两级式结构，其结合了LLC谐振变换器控制技术和高频变压器设计技术，实现了电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
(5)通过设置第三变换器及其采用的BUCK-BOOST变换器实现了恒压、恒流、恒功率充放电，而LLC谐振变换器实现了高频隔离，且通过第三变换器维持直流母线电压恒定、恒电压充电、恒电流充放电和恒功率充放电，还通过外接电流指令计算模块采集变换器的低压侧电压、电流以及高压侧电压，并根据上级系统的控制指令，选择相应的控制外环，以达到不同的控制目标。
附图说明
图1为本实用新型基于多模式变换器的能量路由器装置的结构示意图；
图2为本实用新型的第一变换器BOOST升压变换器拓扑结构示意图；
图3为本实用新型的第一变换器BOOST升压变换器控制结构示意图；
图4为本实用新型的第二变换器HERIC拓扑结构示意图；
图5为本实用新型的第二变换器并网电流控制结构示意图；
图6为本实用新型的第三变换器BUCK-BOOST变换器和LLC谐振变换器两级式拓扑结构示意图；
图7(a)为本实用新型的第三变换器BUCK-BOOST变换器,图7(b)为LLC谐振变换器控制结构示意图；
图8为本实用新型的第一变换器BOOST升压变换器电路原理示意图；
图9(a)为第二变换器的电路原理总图；图9(b)为HERIC变换器驱动电路；
图10为本实用新型的第三变换器BUCK-BOOST变换器电路原理示意图；
图11为本实用新型的LLC谐振变换器电路原理示意图。
具体实施方式
实施例：
如图1所示，本实用新型基于多模式变换器的能量路由器装置包括电网端口1、光伏端口2、高压直流端口3、低压直流端口4、第一变换器5、第二变换器6和第三变换器7，所述电网端口1的能量路由线路通过第二变换器6与公共直流母线连接，所述光伏端口2的路由线路通过第一变换器5与公共直流母线连接，所述高压直流端口3的路由线路与公共直流母线连接，所述低压直流端口4的路由线路通过第三变换器7与公共直流母线连接，第一变换器5、第二变换器6和第三变换器7之间采用公共直流母线相互连接；所述光伏端口2和高压直流端口3通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第二变换器6回馈至电网端口，所述光伏端口2、电网端口1和高压直流端口3通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第三变换器7给低压直流端口4供电，通过第一变换器5不断调节光伏端口2的输出电压，使光伏端口2始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT，还通过第二变换器6能结合单极性PWM调制并具有漏电流小和效率高的优点，再通过第三变换器7能结合LLC谐振变换器控制技术和高频变压器设计技术以实现电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
如图2所示，第一变换器5采用BOOST变换器，且输出电压小于550V以及工作频率为60kHz，所述第一变换器用于调节光伏端口的输出电压，并使其始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，以实现MPPT，通过设置有的第一变换器及其采用的BOOST升压变换器拓扑结构使用单电压环控制，不断调节光伏端口的输出电压，使光伏端口始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT。
如图4所示，第二变换器6采用HERIC变换器，并采用单极性PWM调制，所述第二变换器6用于在零电压状态时避免交流侧L和直流侧C之间无功功率的交换，及在零电压状态时将光伏端口和电网端口隔离，通过设置有的第二变换器6及其采用的HERIC拓扑结构能结合单极性PWM调制并具有漏电流小和效率高的优点，且在零电压状态时能避免交流侧L和直流侧C之间的无功功率交换从而提高效率，还能在零电压状态时将光伏模块和电网隔离从而消除了对地电压的高频成分，进而抑制了漏电流。
如图6所示，第三变换器7采用BUCK-BOOST变换器和LLC谐振变换器，且所述BUCK-BOOST变换器用于实现恒压、恒流和恒功率充放电，而所述LLC谐振变换器用于实现高频隔离，通过设置有的第三变换器7及其采用的BUCK-BOOST变换器和LLC谐振变换器两级式结构，其结合了LLC谐振变换器控制技术和高频变压器设计技术，实现了电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
如图8所示，所述第一变换器电路组成为BOOST升压变换器主功率电路、BOOST主功率驱动电路、PV侧共模滤波对地绝缘监测霍尔电流传感器采样电路、绝缘监测差分采样电路、PV侧直流电压采样调理电路和温度采样电路；如图3所示，通过利用采样得到的光伏端口输出电压和输出电流，经过MPPT算法得到光伏端口输出电压的参考值，再将其与光伏端口输出电压的实际值之间的误差经PI调节后与三角波比较，从而产生PWM信号，不仅具有小型化的特点，还兼顾了效率和EMI。
如图9(a)和图9(b)所示，第二变换器电路组成为HERIC变换器主功率电路、交流侧共模滤波霍尔电流采样漏电流检测电路、继电器预充电霍尔交流电压采样电路和温度采样电路；如图5所示，通过设置有的第二变换器及其采用的HERIC拓扑结构并网电流控制采用电压电流双闭环结构，其中电压外环维持直流母线电压稳定，将给定直流电压值与实际直流电压值之间的误差通过PI调节，输出量作为交流电流的幅值给定，并将其与电网电压经过锁相环得到的单位正弦信号相乘作为交流电流给定值；电流内环实现对交流电流的控制，将给定值与实际值之间的误差经过PI调节后与三角波比较产生PWM信号，控制H5桥逆变器的开关管，最终得到正弦交流输出电流，且与电网频率、相位一致，输出功率因数为1。
如图10和图11所示，第三变换器电路组成为BUCK-BOOST变换器主功率电路、LLC谐振变换器原副边主功率电路、直流电压采样电路、BUCK-BOOST变换器LLC谐振变换器驱动电路、电池侧直流电流霍尔采样电路和温度采样电路；如图7(a)和图7(b)所示，通过设置有的第三变换器及其采用的BUCK-BOOST变换器实现了恒压、恒流、恒功率充放电，而LLC谐振变换器实现了高频隔离，且通过第三变换器能维持直流母线电压恒定、恒电压充电、恒电流充放电和恒功率充放电，还能通过外接电流指令计算模块采集变换器的低压侧电压、电流以及高压侧电压，并根据上级系统的控制指令，选择相应的控制外环，以达到不同的控制目标。
使用时，首先光伏端口2和高压直流端口3通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第二变换器6回馈至电网端口1，接着光伏端口2、电网端口1和高压直流端口3通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第三变换器7给低压直流端口4供电；其中通过第一变换器5能不断调节光伏端口的输出电压，使光伏端口2始终运行在P-V特性曲线最大功率点处，实现了MPPT，还通过第二变换器6能结合单极性PWM调制并具有漏电流小和效率高的优点，再通过第三变换器7能结合LLC谐振变换器控制技术和高频变压器设计技术以实现电力能量双向流动和原副边的电气隔离。
Claims (9)
1.一种基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：包括电网端口(1)、光伏端口(2)、高压直流端口(3)、低压直流端口(4)、第一变换器(5)、第二变换器(6)和第三变换器(7)；所述电网端口(1)的能量路由线路通过第二变换器(6)与公共直流母线连接，所述光伏端口(2)的路由线路通过第一变换器(5)与公共直流母线连接，所述高压直流端口(3)的路由线路与公共直流母线连接，所述低压直流端口(4)的路由线路通过第三变换器(7)与公共直流母线连接，所述第一变换器、第二变换器和第三变换器之间采用公共直流母线相互连接；
所述光伏端口(2)和高压直流端口(3)通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第二变换器(6)回馈至电网端口，所述光伏端口(2)、电网端口(1)和高压直流端口(3)通过放电释放能量汇聚至公共直流母线，再通过第三变换器(7)给低压直流端口(4)供电。
2.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第一变换器(5)采用BOOST变换器，所述第一变换器(5)的输出电压小于550V。
3.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第一变换器(5)采用单电压控制的BOOST变换器拓扑结构使光伏端口(2)运行在PV特性曲线最大功率点处。
4.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第二变换器(6)采用HERIC变换器，并采用单极性PWM调制。
5.根据权利要求4所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第二变换器(6)在零电压状态时将光伏端口和电网端口隔离。
6.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第三变换器(7)采用恒压、恒流和恒功率放电的BUCK-BOOST变换器，以及高频隔离的LLC谐振变换器。
7.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第一变换器(5)的电路组成为BOOST升压变换器主功率电路、BOOST主功率驱动电路、PV侧共模滤波对地绝缘监测霍尔电流传感器采样电路、绝缘监测差分采样电路、PV侧直流电压采样调理电路和温度采样电路。
8.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第二变换器(6)的电路组成为HERIC变换器主功率电路、交流侧共模滤波霍尔电流采样漏电流检测电路、继电器预充电霍尔交流电压采样电路和温度采样电路。
9.根据权利要求1所述的基于多模式变换器的能量路由器装置，其特征在于：所述第三变换器(7)的电路组成为BUCK-BOOST变换器主功率电路、LLC谐振变换器原副边主功率电路、直流电压采样电路、BUCK-BOOST变换器LLC谐振变换器驱动电路、电池侧直流电流霍尔采样电路和温度采样电路。
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