本發(fā)明屬于電力電子在智能電網(wǎng)中的應(yīng)用領(lǐng)域，涉及了一種多端口的多母線電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

長期以來，我國的電力工業(yè)呈現(xiàn)高度一體化“集中、垂直”模式，傳統(tǒng)電網(wǎng)一般包括發(fā)電、輸電、配電和售電四個(gè)環(huán)節(jié)，電能從高壓輸電端單向傳遞到用電端，基本上為單向流動(dòng)；并且我國的地理位置決定了能源分布不均衡，輸電線路長，這樣導(dǎo)致了電能的利用率不高，且損耗較大。

近年來出現(xiàn)分布式發(fā)電的概念，打破原有由上至下的垂直模式，同時(shí)隨著風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等可再生能源的出現(xiàn)和對(duì)應(yīng)技術(shù)的越發(fā)成熟，對(duì)電網(wǎng)的功率雙向流動(dòng)要求日益增高，在繼續(xù)保證電網(wǎng)傳輸穩(wěn)定性的同時(shí)，進(jìn)一步追求高效性和互聯(lián)性。在電網(wǎng)運(yùn)行模式方面，由于直流輸電網(wǎng)不存在交流輸電網(wǎng)固有的穩(wěn)定問題，而且分布式電源(如光伏發(fā)電或儲(chǔ)能)多以直流輸出，用戶側(cè)的負(fù)荷也越來越多采用直流供電，電網(wǎng)由交流電網(wǎng)演變?yōu)榻恢绷骰旌想娋W(wǎng)，進(jìn)而衍生出智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)。

隨著可再生能源分布式電網(wǎng)和就地消納等利用方式的大面積推廣，用戶不僅能從能源互聯(lián)網(wǎng)中接受電能，還能向其輸送電能，這種自由開放的能源交互體制，會(huì)產(chǎn)生更多的能源轉(zhuǎn)移問題，而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)移需要依靠電能路由器。

電能路由器是能源互聯(lián)網(wǎng)中的核心部分，連接配電網(wǎng)和負(fù)載端，并且可以實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)，符合當(dāng)今的電網(wǎng)需求。根據(jù)電網(wǎng)和負(fù)荷的要求，電能路由器需要滿足不同輸入輸出的需求，在電路拓?fù)渖蠎?yīng)該具有更多的兼容性和擴(kuò)展能力。從電能路由器的功能架構(gòu)來看，多端口多母線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電能雙向流動(dòng)，即插即用是電能路由器的主要優(yōu)勢。

已有電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局限性在于，沒有統(tǒng)一的拓?fù)湫问剑⑶椅纯紤]可再生能源的接入，有的拓?fù)湮赐瑫r(shí)提供多級(jí)直流或交流母線，或者僅適用于交流負(fù)載或直流負(fù)載單一形式的負(fù)載，使其功能具有較大局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提出一種智能電網(wǎng)中連接配電端和負(fù)載端的中間設(shè)備，提供適用于不同負(fù)載的多端口多母線輸出，并提供可再生能源及儲(chǔ)能元件的接口，實(shí)現(xiàn)可再生能源和負(fù)載的匹配運(yùn)行，達(dá)到電能的雙向流動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高效互聯(lián)的智能化配電網(wǎng)絡(luò)。

首先說明一點(diǎn)，同互聯(lián)網(wǎng)中的路由器類比可知，電能路由器大致可以分為能量層和通信層兩大方面，而本發(fā)明提出的多端口電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，側(cè)重于基于電力電子變換器的能量層硬件結(jié)構(gòu)，含可再生能源、儲(chǔ)能和負(fù)載等部分的連接，不涉及通信部分。

本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大致為高壓配電端、中間級(jí)隔離部分和低壓輸出端幾個(gè)部分。主要特征在于，其核心部分為模塊化多電平換流器和雙有源橋式雙向dc/dc變換器。所發(fā)明的拓?fù)渚哂懈叨饶K化的特點(diǎn)，增加了可靠性和冗余性，便于集成化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，提高了電路穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性。本發(fā)明提出的電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在將高壓側(cè)的交流電輸送到低電壓負(fù)載端的同時(shí)，提供多端口和多母線輸出接口。

高壓端通過mmc三相模塊化多電平變流器，連接電網(wǎng)配電端的三相交流電，起到整流的作用，將高壓交流電整流為高壓直流電。

mmc電路輸出的高壓直流連接dab雙有源橋電路。后者的好處在于，使用隔離型dc/dc變換，減少電路兩端互相干擾，并可實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)。此處的前后電壓等級(jí)相差較大，因此通過dab雙有源橋電路的輸入端串聯(lián)和輸出側(cè)并聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)隔離和降壓，并通過增加dab電路的個(gè)數(shù)來降低單個(gè)電路的耐壓和電流。

低壓輸出端以直流母線的形式接出，構(gòu)成直流微網(wǎng)，提供多種直流和交流負(fù)載標(biāo)準(zhǔn)端口，及可再生能源發(fā)電設(shè)備、儲(chǔ)能元件的接口。直流母線有三級(jí)，電壓范圍分別為600-800v，350-400v和48v，不同電壓等級(jí)的直流母線之間通過降壓電路相連。可再生能源和儲(chǔ)能元件接在第一級(jí)直流母線端，三相和單相交流負(fù)載通過三相和單相逆變電路連接在第一、二級(jí)直流母線端。因此，本發(fā)明提出的多端口多母線電能路由器結(jié)構(gòu)，充分考慮了實(shí)際電網(wǎng)中交直流負(fù)載共存的情況，并提供可再生能源和儲(chǔ)能元件的接口，符合當(dāng)今能源利用和社會(huì)發(fā)展可持續(xù)性的需求。

本發(fā)明提出的多端口多母線電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)工作過程如下。

當(dāng)配電端高壓交流電輸入mmc電路，其內(nèi)部子模塊進(jìn)行整流，得到高壓直流電，進(jìn)而通過中間級(jí)dab隔離型dc/dc直流變換電路進(jìn)行降壓和隔離。經(jīng)過降壓的電路輸出600-800v直流母線，為儲(chǔ)能設(shè)備和新能源發(fā)電提供接口，并通過三相逆變器提供三相交流電。在此母線基礎(chǔ)上，通過連接降壓電路，提供350-400v直流母線，向高壓直流負(fù)載供電，并通過單相逆變器提供單相交流電。在第二級(jí)直流母線的基礎(chǔ)上再次連接降壓電路，提供48v低壓直流母線，向家用直流負(fù)載供電。拓?fù)渲锌刂齐娔芰鲃?dòng)方向的結(jié)構(gòu)主要為mmc和dab雙向電路，以及接在儲(chǔ)能裝置上的充放電電路。新能源發(fā)電和負(fù)載的接入量決定了整個(gè)電能路由器內(nèi)電能傳輸?shù)姆较颉?/p>

本發(fā)明的技術(shù)特點(diǎn)和擬達(dá)到效果為，高效實(shí)現(xiàn)電能路由器的多端口多母線設(shè)計(jì)和電能的雙向流動(dòng)，保證電能路由器在兩端的電壓等級(jí)相差較大的情況下還能穩(wěn)定傳輸，并保證可再生能源的即接即用。本發(fā)明提出的適用于配電網(wǎng)的多端口多母線電能路由器結(jié)構(gòu)優(yōu)勢明顯，輸出端提供多級(jí)直流母線，并可同時(shí)滿足交流和直流兩種負(fù)載，每種負(fù)載均有多種形式的端口，并加入可再生能源和儲(chǔ)能元件，適用范圍較廣。

附圖說明

本發(fā)明提出的拓?fù)涫疽鈭D用于解釋本發(fā)明內(nèi)容，并不是電能路由器的唯一結(jié)構(gòu)。在說明書附圖中，圖1為本發(fā)明主要介紹的多端口多母線電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括高壓輸入端和直流、交流負(fù)載端口，并連接可再生能源和蓄電池、超級(jí)電容儲(chǔ)能元件。

圖2為本發(fā)明提出的以模塊化多電平變流器和雙有源橋電路作為核心部分的多端口多母線電能路由器具體線路連接示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明提出一種適用于配電網(wǎng)的多端口多母線電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是，具有不同形式的負(fù)載端口和可再生能源、儲(chǔ)能元件接口，并連接多級(jí)直流母線。

本發(fā)明提出的電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的具體功能是，輸入端連接高壓配電網(wǎng)10-110kv的高壓交流電，輸出端得到600-800v，350v-400v和48v的三級(jí)直流母線，便于提供多種負(fù)載形式的標(biāo)準(zhǔn)化接口，同時(shí)可通過單相或三相逆變器結(jié)構(gòu)向單相或三相交流負(fù)載供電。第一級(jí)直流母線端接入風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板等分布式可再生能源，另加入蓄電池、超級(jí)電容作為互補(bǔ)儲(chǔ)能元件，使直流母線作為電能輸送端，從而實(shí)現(xiàn)電能的雙向流動(dòng)。

電能路由器的適用場合一般需掛接中壓配電網(wǎng)，其輸入電壓較高。本發(fā)明基于電力電子變換器，采用mmc模塊化多電平變流器電路作為高壓端的整流電路。mmc電路由若干個(gè)子模塊組成。圖2給出了一個(gè)基本的電能路由器實(shí)例。此處選擇子模塊為半橋型電路，即兩個(gè)全控型igbt功率器件串聯(lián)后和一個(gè)直流儲(chǔ)能電容并聯(lián)組成。2n個(gè)子模塊級(jí)聯(lián)構(gòu)成一相，分為上下兩個(gè)半橋。6n個(gè)子模塊構(gòu)成三相橋臂，三相并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)完整的mmc結(jié)構(gòu)。mmc子模塊結(jié)構(gòu)除了半橋型，還有全橋型和箝位-全橋型，可根據(jù)直流短路阻斷功能進(jìn)行靈活選擇。mmc電路內(nèi)子模塊的個(gè)數(shù)由電壓等級(jí)和器件耐壓水平?jīng)Q定。

在本發(fā)明中提出的電能路由器拓?fù)渲?，如圖1所示，高壓端通過a、b、c三個(gè)輸入端接入mmc電路，輸入10-110kv高壓交流電。三相高壓交流電依次連接mmc電路的三相橋臂的三個(gè)中點(diǎn)。三相mmc電路的兩端分別與中間級(jí)dc/dc變換電路兩端并聯(lián)。

此外，本發(fā)明提出的電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的中間級(jí)選擇隔離型dab雙有源橋電路，通過高頻變壓器提供高低壓端的電氣隔離功能，為用戶側(cè)安全用電提供了保障。同時(shí)變壓器變比也為高低壓的變換提供了方便。如圖2所示，dab電路內(nèi)部由igbt或mosfet功率器件和高頻變壓器組成，四個(gè)功率器件igbt組成一個(gè)有兩組上下橋臂的h橋，兩端與一個(gè)電容并聯(lián)；兩組相同的h橋電路通過中間的高頻變壓器相連。高壓變壓器的原邊連接前端h橋兩橋臂的中點(diǎn)，副邊連接后端h橋兩橋臂中點(diǎn)。其中變壓器原邊與h橋連接一側(cè)通過一個(gè)電感相連。高頻變壓器將市電交流側(cè)和負(fù)載、新能源、儲(chǔ)能設(shè)備側(cè)隔離，確保電能質(zhì)量并抑制交流側(cè)諧波。多個(gè)dab模塊之間采用輸入端串聯(lián)，輸出端并聯(lián)的方式連接，整個(gè)模塊的正負(fù)級(jí)與前端的mmc電路兩端并聯(lián)。其中dab電路的個(gè)數(shù)由電壓等級(jí)、電能路由器負(fù)載水平及器件耐壓耐流水平?jīng)Q定。

輸出端將每個(gè)dab模塊的正極和負(fù)極分別相連，并以直流母線的形式輸出，便于通過直流母線電壓的變化情況反映系統(tǒng)的功率流動(dòng)和實(shí)時(shí)能量平衡。dab電路輸出的第一級(jí)高壓直流母線的電壓范圍為600-800v。在第一級(jí)直流母線的電壓等級(jí)范圍內(nèi)，提供風(fēng)力發(fā)電機(jī)、光伏電池板等可再生能源和蓄電池組、超級(jí)電容接口，并可通過三相逆變器連接三相交流負(fù)載。

第一級(jí)直流母線的電壓范圍仍然較高，并未達(dá)到家庭用電的需求。因此第一級(jí)直流母線通過降壓電路得到350-400v第二級(jí)中壓直流母線，在此電壓等級(jí)范圍內(nèi)，可向充電樁等大功率直流負(fù)載供電，并通過單項(xiàng)逆變電路連接單相交流負(fù)載。在此基礎(chǔ)上再通過一級(jí)大變比dc/dc降壓電路，電壓可降到48v左右，輸出第三級(jí)直流母線，供家庭直流負(fù)載使用。

本發(fā)明提出的電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，輸出端直接以直流母線的形式連接，其電壓的穩(wěn)定直接關(guān)系著低壓側(cè)用電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量，因此直流母線的控制十分關(guān)鍵。本發(fā)明提出的多端口多母線即為多級(jí)母線提供的多種電壓等級(jí)負(fù)載端口，并具有直流和交流兩種電氣形式的端口，同時(shí)提供分布式能源接口。

本發(fā)明提出的電能路由器拓?fù)?，能量可以在多個(gè)端口之間實(shí)現(xiàn)多向自由流動(dòng)，提供了靈活的能量傳輸方式。另外，該系統(tǒng)具有高、低壓交流側(cè)的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)功能，開關(guān)頻率高。整流級(jí)的mmc電路和中間級(jí)dab雙有源橋電路均采用多模塊電路連接，提高了單個(gè)模塊輸入側(cè)耐壓，且內(nèi)部均由多個(gè)單一模塊構(gòu)成，結(jié)構(gòu)大大簡化。通過本發(fā)明提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電能路由器的多端口和多母線設(shè)計(jì)，保證了能量的雙向流動(dòng)，并減小電能路由器體積，整體性能也有較大提升。

圖2只表示出本發(fā)明提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的一種拓?fù)涫纠洼敵鼋涌谇闆r，體現(xiàn)了本發(fā)明提出的適用于配電網(wǎng)的多端口多母線電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的核心部分，即mmc電路和dab電路的具體連接方式和三級(jí)直流母線。

以上所述僅為本發(fā)明提出的一種電能路由器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具體描述，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明包含范圍內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。