能源路由器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种能源路由器。

背景技术：

能源互联网是一种能实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络，能源路由器是能源互联网的关键设备，是实现能源互联网中能量交换、新能源和负载接入的重要技术手段。

现有的能源路由器以电力电子变压器替代传统变压器，通常是利用电力电子变压器变压与隔离的功能，电力接口少，不便于扩展，从而功能性弱。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述问题，提供一种提供多个接口、功能性强的能源路由器。

一种能源路由器，包括高压交流接口、低压交流接口、直流接口和隔离型双向DC/DC模块，所述高压交流接口和所述低压交流接口均包括交流侧和直流侧；

所述隔离型双向DC/DC模块连接所述高压交流接口的直流侧、所述低压交流接口的直流侧和所述直流接口，所述高压交流接口的交流侧连接高压交流系统，所述低压交流接口的交流侧连接低压交流系统，所述直流接口连接直流系统。

上述能源路由器，隔离型双向DC/DC模块用于实现隔离和变压，高压交流接口用于与高压交流系统或高压交流系统内负载之间的能量交换，低压交流接口用于与低压交流系统或低压交流系统内负载之间的能量交换，直流接口用于与直流系统或直流系统内负载之间的能量交换；通过隔离型双向DC/DC模块分别连接高压交流接口、低压交流接口和直流接口，将不同类型的电力接口进行组合，可实现多种不同电力系统之间的电能交换，交换效率高，能源路由器功能性强。

附图说明

图1为一实施例中能源路由器的结构图；

图2为另一实施例中能源路由器的结构图；

图3为一实施例中高压交流接口的结构图；

图4为一实施例中隔离型双向DC/DC模块的结构图；

图5为一实施例中低压交流接口的结构图；

图6为另一实施例中低压交流接口的结构图；

图7为一实施例中直流接口的结构图；

图8为一应用例中能源路由器的具体实施电路图。

具体实施方式

参考图1，一实施例中的能源路由器，包括高压交流接口110、隔离型双向DC/DC模块120、低压交流接口130和直流接口140；高压交流接口110和低压交流接口130均包括交流侧和直流侧。隔离型双向DC/DC模块120连接高压交流接口110的直流侧、低压交流接口130的直流侧和直流接口140，高压交流接口110的交流侧连接高压交流系统(图未示)，低压交流接口130的交流侧连接低压交流系统(图未示)，直流接口140连接直流系统(图未示)。

隔离型双向DC/DC模块120用于进行隔离和变压。其中，高压交流系统、低压交流系统和直流系统指外部的电能网，可以是供电系统，也可以是负载系统。例如，通过高压交流接口110连接高压交流系统，可以是接入高压交流系统的电能进行转换给低压交流系统或直流系统供电，也可以是将低压交流系统或直流系统的电能转换后给高压交流系统中的用电设备供电。通过低压交流接口130连接低压交流系统，可以是接入低压交流系统的电能进行转换给高压交流系统或直流系统供电，也可以是将高压交流系统或直流系统的电能转换后给低压交流系统中的用电设备供电。通过直流接口140连接直流系统，可以是接入直流系统的电能进行转换给高压交流系统或低压交流系统供电，也可以是将高压交流系统或低压交流系统的电能转换后给直流系统中的用电设备供电。

上述能源路由器，隔离型双向DC/DC模块120用于实现隔离和变压，高压交流接口110用于与高压交流系统或高压交流系统内负载之间的能量交换，低压交流接口130用于与低压交流系统或低压交流系统内负载之间的能量交换，直流接口140用于与直流系统或直流系统内负载之间的能量交换；通过隔离型双向DC/DC模块120分别连接高压交流接口110、低压交流接口130和直流接口140，将不同类型的电力接口进行组合，可实现多种不同电力系统之间的电能交换，交换效率高，能源路由器功能性强。

在一实施例中，参考图2，高压交流接口110、隔离型双向DC/DC模块120、低压交流接口130和直流接口140的数量均为多个，隔离型双向DC/DC模块120包括第一直流端口和第二直流端口。

各隔离型双向DC/DC模块120的第一直流端口各通过一组直流母线连接所有的高压交流接口110的直流侧。多个隔离型双向DC/DC模块120的第二直流端口通过同一组直流母线连接各低压交流接口130的直流侧和各直流接口140。

例如，图2中有N个高压交流接口110、Z个隔离型双向DC/DC模块120、M个低压交流接口130和P个直流接口140；第一个、第二个至第N个高压交流接口110的交流侧分别通过端口A₁、B₁、C₁、A₂、B₂、C₂、……A_N、B_N、C_N连接高压交流系统的三相火线；第一个、第二个至第M个低压交流接口130的交流侧分别通过端口a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂、……a_M、b_M、c_M连接低压交流系统的三相火线，并分别通过端口n₁、n₂、……n_M连接低压交流系统的零线；第一个、第二个至第P个直流接口140分别通过端口DC₁+、DC₁-、DC₂+、DC₂-……DC_P+、DC_P-连接直流系统的正极和负极。Z个隔离型双向DC/DC模块120的第一直流端口分别连接的直流母线的序号为1、2、…、Z，Z个隔离型双向DC/DC模块120的第二直流端口连接的同一组直流母线的序号为Z+1；第1到Z组直流母线均与N个高压交流接口110连接，第1+Z组直流母线连接M个低压交流接口130和P个直流接口140。

通过设置多个高压交流接口110、隔离型双向DC/DC模块120、低压交流接口130和直流接口140，提供多种不同类型的接口，从而实现多种接口之间的能量交换；同时，隔离型双向DC/DC模块120的第一直流端口连接的多组直流母线可连接多个高压交流接口110，第二直流端口连接的直流母线可连接多个低压交流接口130和多个直流接口140，可方面扩展更多的接口。如此，可进一步提高能源路由器的能量交换效率。

在一实施例中，参考图3，高压交流接口110包括三个高压相单元111，各高压相单元111均包括第一电感L1和多个级联H桥1110。

隔离型双向DC/DC模块120的数量与同一高压交流接口110中级联H桥1110的数量相等，同一高压交流接口110的多个级联H桥1110与各隔离型双向DC/DC模块120一一对应连接。

例如，参考图2和3，隔离型双向DC/DC模块120的数量为Z，一个高压相单元111中有C个级联H桥1110，则一个高压交流接口110中包含的级联H桥1110的数量为3C，满足Z＝3*C；高压交流接口110中的第一个级联H桥1110连接第1个隔离型双向DC/DC模块120，具体为通过第1组直流母线连接第1个隔离型双向DC/DC模块120，第二个级联H桥1110通过第2组直流母线连接第2个隔离型双向DC/DC模块120，依次对应连接，直到第3C个级联H桥1110通过第Z组直流母线连接第Z个隔离型双向DC/DC模块120。

同一高压相单元111中的多个级联H桥1110相互级联后一端连接对应高压相单元111中第一电感L1的一端，各高压相单元111中的多个级联H桥1110级联后另一端相互连接，第一电感L1另一端连接高压交流系统的一相火线。本实施例中，同一个高压交流接口110的三个第一电感L1分别通过端口A_x、B_x、C_x连接高压交流系统的三相火线，其中x表示高压交流接口110的序号。

通过采用相互级联的级联H桥1110组成一个高压相单元111，三个高压相单元组成一个高压交流接口110，高压交流接口110内部结构之间无需隔离，能量交换效率高。同一高单元111中例级联的级联H桥1110的个数可以根据实际需要进行设置，例如，可以增加级联H桥1110级联的个数以提高高压交流接口110的电压。

在一实施例中，继续参考图3，级联H桥1110包括第一开关模块Q1、第二开关模块Q2、第三开关模块Q3、第四开关模块Q4、直流侧和交流侧，多个级联H桥1110的直流侧作为高压交流接口110的直流侧，多个级联H桥1110的交流侧作为高压交流接口110的交流侧；级联H桥1110的直流侧和交流侧均包括正端和负端，第一开关模块Q1、第二开关模块Q2、第三开关模块Q3和第四开关模块Q4均包括第一端、第二端和控制端。

第一开关模块Q1的第一端连接第二开关模块Q2的第一端，且公共端作为级联H桥1110的直流侧的正端且连接隔离型双向DC/DC模块120，具体为通过连接直流母线的正极+连接隔离型双向DC/DC模块120；第一开关模块Q1的第二端连接第三开关模块Q3的第一端，且公共端作为级联H桥1110的交流侧的正端；第二开关模块Q2的第二端连接第四开关模块Q4的第一端，且公共端作为级联H桥1110的交流侧的负端；第三开关模块Q3的第二端连接第四开关模块Q4的第二端，且公共端作为级联H桥1110的直流侧的负端且连接隔离型双向DC/DC模块120，具体为通过连接直流母线的负极-连接隔离型双向DC/DC模块120。第一开关模块Q1的控制端、第二开关模块Q2的控制端、第三开关模块Q3的控制端和第四开关模块Q4的控制端分别连接驱动装置(图未示)。其中，驱动装置可以是现有公知的可以实现驱动的驱动电路或者器件。

同一高压相单元111中，前一级联H桥1110的交流侧的负端连接后一级联H桥1110的交流侧的正端使多个级联H桥1110级联，级联的第一个级联H桥1110的交流侧的正端连接同一高压相单元111中的第一电感L1，各高压相单元111中级联的最后一个级联H桥1110的交流侧的负端相互连接。

在一实施例中，第一开关模块Q1、第二开关模块Q2、第三开关模块Q3和第四开关模块Q4均采用全控型电力电子器件。通过使用全控型电力电子器件，可增强能源路由器的可控性，响应快速，高压交流接口110输出电能质量高。

本实施例中，第一开关模块Q1包括第一开关管和第一二极管，第一开关管的输入端连接第一二极管的负极，且公共端作为第一开关模块Q1的第一端，第一开关管的输出端连接第一二极管的正极，且公共端作为第一开关模块Q1的第二端，第一开关管的控制端作为第一开关模块Q1的控制端。第二开关模块Q2、第三开关模块Q3和第四开关模块Q4的结构与第一开关模块Q1的结构相同，在此不做赘述。

在一实施例中，参考图4，隔离型双向DC/DC模块120包括第一电容C1、第二电容C2、第一H桥121、第二H桥122和变压器123，第一H桥121和第二H桥122均包括直流侧和交流侧。

第一H桥121的直流侧并联第一电容C1，且连接高压交流接口110的直流侧，具体地，本实施例中，第一H桥121的直流侧作为第一直流端口通过端口DC_Z+和DC_Z-连接一组直流母线，其中，z指隔离型双向DC/DC模块120的序号，即等于直流母线的组号；第一H桥121的交流侧连接变压器123一侧，变压器123另一侧连接第二H桥122的交流侧；第二H桥122的直流侧并联第二电容C2，且连接低压交流接口130的直流侧和直流接口140；具体地，本实施例中，第二H桥122的直流侧作为第二直流端口连接直流母线。

第一H桥121和第二H桥122可以进行直流电与交流电的逆变，通过采用第一H桥121、变压器123和第二H桥122构成模块化结构的隔离型双向DC/DC模块120，模块化结构可方便拓展隔离型双向DC/DC模块120的使用个数。

其中，第一H桥121和第二H桥122的结构与级联H桥1110的结构相同，在此不做赘述。第一H桥121和第二H桥122同样采用全控型电力电子器件构成，可增强隔离型双向DC/DC模块120的可控性。

变压器123的类型可以根据实际需要进行选择。本实施例中，变压器123为高频变压器。高频变压器体积小，重量轻，减小整个能源路由器的体积。可以理解，在其他实施例中，变压器123的类型还可以为其他，例如中频变压器。

在一实施例中，参考图5，低压交流接口130包括三个低压相单元131，各低压相单元131均包括第二电感L2、串接H桥1310和DC/DC电路1311，串接H桥1310包括直流侧和交流侧。

多个DC/DC电路1311的一侧作为低压交流接口130的直流侧用于连接隔离型双向DC/DC模块120，DC/DC电路1311的另一侧连接同一低压相单元131中的串接H桥1310的直流侧；串接H桥1310的交流侧连接同一低压相单元131中的第二电感L2一端，且各低压相单元131的串接H桥1310的交流侧均连接至低压交流系统的零线，各低压相单元131的第二电感L2另一端连接低压交流系统的一相火线。本实施例中，DC/DC电路1311的一侧具体可连接第Z+1组直流母线的正极+和负极-，串接H桥1310的交流侧可通过端口n_y连接低压交流系统的零线，通过端口a_y、b_y、c_y连接低压交流系统的三相火线，其中y为低压交流接口130的序号。

DC/DC电路1311的结构与隔离型双向DC/DC模块120的结构相同，串接H桥1310的结构与级联H桥1110的结构相同，在此不做赘述。具体地，串接H桥1310的交流侧的正端连接第二电感L2，串接H桥1310的交流侧的负端连接至低压交流系统的零线。DC/DC电路1311和串接H桥1310由全控性电力电子器件构成，可增强低压交流接口130的可控性。

在一实施例中，继续参考图5，低压交流接口130还包括三个滤波电容，分别为C3、C4和C5。第一个低压相单元131的第二电感L2通过第一个滤波电容C3连接低压交流系统的零线，第二个低压相单元131的第二电感L2通过第二个滤波电容C4连接低压交流系统的零线，第三个低压相单元131的第二电感L2通过第三个滤波电容C5连接低压交流系统的零线。

通过采用三个滤波电容C3、C4和C5对电压进行滤波，可防干扰，提高输出电压的准确性和稳定性。

可以理解，在其他实施例中，低压交流接口130还可以采用其他结构。例如，参考图6，低压交流接口130为三相四桥臂逆变器。

在一实施例中，参考图7，直流接口140包括第五开关模块Q5、第六开关模块Q6、第三电容C6、第四电容C7、第三电感L3、第三直流端口和第四直流端口，第三直流端口和第四直流端口分别连接隔离型双向DC/DC模块120和直流系统，且均包括正端和负端，第五开关模块Q5和第六开关模块Q6均包括第一端、第二端和控制端。

第五开关模块Q5的第一端连接第三电容C6一端，且公共端作为第三直流端口的正端，第五开关模块Q5的第二端连接第六开关模块Q6的第一端，且公共端连接第三电感L3一端；第六开关模块Q6的第二端连接第三电容C6的另一端，且公共端作为第三直流端口的负端；第三电感L3另一端连接连接第四电容C7一端，且公共端作为第四直流端口的正端，第四电容C7另一端连接第六开关模块Q6的第二端，且公共端作为第四直流端口的负端。本实施例中，第三直流端口的正端和负端分别连接第Z+1组直流母线的正极+和负极-，第四直流端口的正端和负端连接直流系统的正极+和负极-。可以理解，在其他实施例中，也可以是第四直流端口的正端和负端连接第Z+1组直流母线的正极+和负极-，第三直流端口的正端和负端连接直流系统的正极+和负极-。

直流接口140通过采用非隔离型直流转换电路，可提高电能交换效率，从而进一步增强能源路由器的功能。

如图8所示为能源路由器的一种具体实施电路和应用场景。该能源路由器具有2个高压交流接口110，分别与2个高压交流系统(高压交流系统1和高压交流系统2)连接；1个低压交流接口130，接本地低压交流负荷；2个直流接口140，其中一个接光伏电池，一个接储能电池；另外，6组用于连接高压交流接口110的直流母线和1组用于连接低压交流接口130和直流接口140的直流母线上均可接入直流负荷或分布式电源，如图中第6组直流母线接入了光伏电源。其基本工作原理为：储能电池通过直流接口140稳定第7组直流母线的电压；6个隔离型双向DC/DC模块120稳定第1-6组直流母线的电压；对于高压交流接口110，通过控制级联级联H桥1110的控制信号来控制输出第一电感L1的电流，从而实现高压交流接口110对外功率可控；对于低压交流接口130，通过控制三相四桥臂逆变器的驱动信号实现对低压交流接口130的输出电压的控制，从而为本地低压交流负荷供电；对于直流接口140，控制其输出直流电压实现对光伏电池输出功率的控制。该能源路由器实现了分布式电源的接入和对本地负荷的供电，也实现了不同高压交流系统之间通过能源路由器不同的接口进行能量交换，交换效率高，功能性强。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。