基于多端口户用型能源路由器的直流环网架构的制作方法

本实用新型所属电力电子领域。

背景技术：

随着化石燃料的短缺、环境污染日益严重，国内对于可再生能源发电的需求逐步增大。而如典型的光伏分布式发电以及风力分布式发电具有波动性以及随机性，需要配置储能单元平抑系统波动。

第一代逆变系统，为了实现光伏+储能的最小系统配置，需要光伏逆变器与储能逆变器的结合；第二代逆变系统，提出了光储一体机，可以同时接入光伏与储能单元。

另一方面，随着直流负荷的日益增多，传统的交流微电网有诸多问题凸显，例如：

a)直流负荷接入引起的换流损耗以及换流成本的增加；

b)高渗透率、大量分布式电源、储能电站等同时接入交流系统的同步问题；

c)交流并网需考虑的频率和相位问题；

d)电压暂降和供电短时中断问题；

e)线路中电压源换流器无功和谐波等问题。

技术实现要素：

展望中的第三代逆变器系统。第三代逆变器系统被设想为多端口的能源路由器系统，除光伏、储能系统外，可以同时考虑风力发电系统，氢燃料电池。同时受能源供应形式变化的影响，电能的单向流动正向着双向流动的方式转变，而传统的第一、第二代逆变器系统无法满足供电形式多样性、能源双向流动，以及功率流的主动调控等要求

本实用新型为目的在于克服现有技术存的不足，提出基于多端口户用型能源路由器的直流环网架构，实现未来能源互联网的架构以及直流配网建设，为第三代能源路由器的诞生做准备。

本实用新型需要保护的技术方案表征为：

一种基于多端口户用型能源路由器的直流环网架构，其特征在于：设有直流母线，由直流母线构成环网，直流环网上设置若干多端口能源路由器，间隔多端口能源路由器之间设置有分段开关。该直流母线通过DC/AC 换流器连接至外部的交流母线。

所述直流环网为低压直流环网。

外部各类发电系统、储能系统可以通过所述各个多端口能源路由器接入该直流环网，同时，外部各类负载可以通过就近的多端口能源路由器获得能源，形成小型局域直流配电网。

所述多端口能源路由器，包括多端口DC/DC部分、抑制直流母线波动部分、DC/AC变换侧部分、直流侧输入输出部分。所述多端口DC/DC部分为路由器的DC/DC低压侧，由多条独立支路组成，支路之间并联连接，各支路均采用非隔离型双向DC/DC变换拓扑，可直接与外部的光伏单元、风能单元、储能单元相连。所述DC/AC变换侧部分，将交流侧电网与高压侧直流母线连接，采用两电平三相半桥拓扑结构。所述抑制直流母线波动部分包括电容C4，该电容C4并联在直流母线的正、负极。所述直流侧输入输出部分，通过导线直接连接至直流环网。

作为实施例技术方案，多端口DC/DC部分是由三条独立支路(#2,3,5) 组成，为#2端口支路、#3端口支路、#5端口支路，每条支路配置电感及电容，其中以#2端口支路为例，每个支路结构包括一L1为回路储能电感，与所述#2端口接入储能单元串接，用于存储能量，调整输入输出的电压变比。包括一C1为回路输入侧滤波电容，与所述#2端口接入储能单元并接，用于滤除高频电流纹波，最终得到平滑的直流输出。包括由两组IGBT模块构成的支路；所述两组IGBT模块之间通过节点A连接，同时各自另一端分别连接至直流母线的正、负极；所述节点A连接至所述L1为回路储能电感的能量输出侧；每个IGBT模块反向并接一续流二极管；IGBT(VS5)反向并接续流二极管(VD5)，IGBT(VS6)反向并接续流二极管VD6，构成两组IGBT模块，所述IGBT(VS5)的集电极连接至直流母线的正极，所述IGBT(VS6)发射极连接至直流母线的负极。

作为实施例技术方案，所述DC/AC变换侧部分包括依序串接的功率模块、LC滤波回路、隔离变压器、#4交流侧输出端口；通过功率模块连接至直流母线的正、负极；该功率模块包括6个IGBT(VS7-VS12)以及6个续流二极管(VD7-VD12)，所述6个IGBT为第七IGBT(VS7)、第九IGBT(VS9)、第十一 IGBT(VS11)、第八IGBT(VS8)、第十IGBT(VS10)、第十二IGBT(VS12)，所述6 个续流二极管为第七续流二极管(VD7)、第八续流二极管(VD8)，第九续流二极管(VD9)、第十续流二极管(VD10)，第十一续流二极管(VD11)、第十二续流二极管(VD12)：V7-V12为DC/AC部分功率开关管，每个桥臂由IGBT功率管及反并联的二极管组成，同桥臂的上下两个功率之间即上下的第七续流二极管(VD7)、第八续流二极管(VD8)，第九续流二极管(VD9)、第十续流二极管(VD10)，第十一续流二极管(VD11)、第十二续流二极管 (VD12)之间存在死区时间可防止同时导通。所述第七IGBT(VS7)、第九 IGBT(VS9)、第十一IGBT(VS11)的集电极连接至直流母线的正极，所述第八 IGBT(VS8)、第十IGBT(VS10)、第十二IGBT(VS12)发射极连接至直流母线的负极；所述第七IGBT(VS7)、第九IGBT(VS9)、第十一IGBT(VS11)的发射极分别与所述第八IGBT(VS8)、第十IGBT(VS10)、第十二IGBT(VS12)的集电极共点。由L4与C5组成的LC滤波回路，对功率模块输出波形滤波处理使趋向正弦波，向变压器T1输出平滑的正弦波；通过#4交流侧输出端口将变压器T1 输出的交流连接至公共电网或者负载。

作为实施例技术方案，直流侧输入输出部分为#1端口，通过导线直接连接至直流环网。

进一步拓展，将构造多端口户用型能源路由器直流环网架构经过直流传输线路与多端口户用型能源路由器直流环网架构形成互联，组成多层次的直流系统。

以上基于多端口户用型能源路由器的直流环网架构技术方案，由于使用多端口路由器可以最大限度的就地消纳分布式新能源，多种能源互补可以提高供电可靠性，同时由于使用低压直流环网供电，线路某一部分出现故障，可及时隔离故障部分，避免引起大规模的停电事故，在输电线损上有所降低，是一种高品质的供电模式。

传统电力电子并网系统中每增加一个端口就要相应地增加功率变换器及其控制电路，系统成本较高。为了简化系统结构、降低成本，行之有效的方法就是减少系统中功率变换器的数量。为此，本实用新型能源路由器前级直流变换侧采用单个功率变换器取代原有的多个功率变换器，实现功率变换器的拓扑合并和功能合并。合并后的功率变换器参与多个直流母线端口之间的能量传输。输入端口与输出端口之间可实现单向或双向能量传递，能量传递可以是同时或分时的，而其它端口之间不能相互传递能量。

本实用新型直流微电网主要优势集中在：

a)可提供定制性的高质量供电解决方案；

b)减少了电压变换环节，减少设备投资以及运行损耗；

c)可为直/交流微电网提供并网口，提高微电网的运行可靠性并能满足交流微电网的谐波治理、无功补偿和能量反送需求。

附图说明

图1为本实用新型基于多端口户用型能源路由器的直流环网架构示意图。

图2为图1中能量路由器本体主结构示意图。

图3为能量路由器拓扑结构。

图4为由直流环网架构构建互联的广域网链接示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施方式对本实用新型技术方案做进一步说明。

实施例1

如图1所示，本实施例以4个多端口能源路由器为例构建了小型局域直流配电网，其中

设有直流母线，由直流母线构成环网，直流环网上设置若干(本实施例设置四个多端口能源路由器)多端口能源路由器，间隔多端口能源路由器之间设置有分段开关。所述直流环网为低压直流环网。该直流母线通过 DC/AC换流器连接至外部的交流母线(这部分属现有技术，且为本领域常规技术)。

外部各类发电系统、储能系统可以通过所述各个多端口能源路由器接入该直流环网，同时，外部各类负载可以通过就近的多端口能源路由器获得能源，形成小型局域直流配电网，可以能源相互调剂。

单个局域网内的直流母线配置直流分段开关，提供系统级的保护。

如图2所示，每个多端口能源路由器的本体结构：

输入侧经过前级多端口直流变换器(Multi-Port DC/DC Converters,MPC) 变换为某直流电压(例如350Vdc)汇入直流侧母线，再经过后级DC/AC模块逆变出某交流电压(通常为220Vac)供后端并网或负载使用。

多端口能源路由器运行模式：输入端口#2可接入储能系统；输入端口 #3可接入分布式风电及光伏发电系统；输入端口#5可接入燃料电池发电系统；直流输入/出端口#1侧可并入直流环网，同时支持能量双向流动；交流输出端口#4后端连接实际负载及大电网并网口。

如图3所示，本实施例的多端口能源路由器的电路拓扑结构为：

一、前级、低压侧、DC/DC模块(如图3所示下半部分拓扑图)，其中

多端口DC/DC部分为路由器的DC/DC低压侧，是由三条独立支路 (#2,3,5)组成，为#2端口支路、#3端口支路、#5端口支路，支路之间并联连接，各支路均采用非隔离型双向DC/DC变换拓扑，可直接与光伏、储能单元相连。相较于传统三相交错并联拓扑，本实用新型技术方案此处实现各支路可独立运行，每条支路配置电感及电容，其中以#2端口支路为例，每个支路结构设计为：

包括一L1，为回路储能电感，所述L1与所述#2端口接入储能单元串接，主要用于存储能量，调整输入输出的电压变比。

包括一C1，为回路输入侧滤波电容，所述C1与所述#2端口接入储能单元并接，主要用于滤除高频电流纹波，最终得到平滑的直流输出；

包括由两组IGBT模块构成的支路；所述两组IGBT模块之间通过节点A 连接，同时各自另一端分别连接至直流母线的正、负极；所述节点A连接至所述L1为回路储能电感的能量输出侧；每个IGBT模块反向并接一续流二极管；

第五IGBT(VS5)反向并接第五续流二极管(VD5)，第六IGBT(VS6)反向并接第六续流二极管VD6，构成两组IGBT模块，所述第五IGBT(VS5)的集电极连接至直流母线的正极，所述第六IGBT(VS6)发射极连接至直流母线的负极。

当#2端口接入储能单元，能量由电池单元流向直流母线侧时，电感L1 首先进行充电，同时电感电流增大，回路中VS5与VS6交替导通关断，VD5 与VD6进行电流续流，回路工作在Boost模式，在此模式下，主要通过调整VS6的占空比实现对输出电压的控制及功率调整，VS5管和VS6进行交替导通，主要是为了续流，提高设备效率。降压模式运行时，对电池充电，要实现对电池侧的电压及功率控制，通过控制上管VS5的占空比实现。下管VS6进行交替导通的作用也是为了续流，提高设备效率。

同理，#3端口、#5端口与#2端口类似，均可独立工作在充电以及放电模式且相互无干扰。

当对端口#2,#3,#5进行充电时，三个半桥(命名为：功率模块)的上管 VS1，VS3，VS5进行交替导通，开关管的脉冲相差120°，三个电感(L1、 L2、L3)之间的电流形成交错叠加，最终等效流过高压母线侧的高频纹波电流幅值大大降低，如此可以大量减少高压侧的直流支撑电容，降低设备的体积和成本。而且较低的高频纹波电流可以降低系统发热，设备的稳定性及寿命均可得到较大提升。

二、抑制直流母线波动，其中

C4为直流侧母线电容，并联在直流母线的正、负极，主要为抑制直流母线波动。

三、后级、DC/AC模块(如图3所示上半部分拓扑图)，其中

DC/AC部分变换侧将交流侧电网与高压侧直流母线连接，采用两电平三相半桥拓扑结构，该拓扑结构为：包括依序串接的功率模块、LC滤波回路、隔离变压器、#4交流侧输出端口；

通过功率模块连接至直流母线的正、负极；该功率模块包括6个IGBT(VS7-VS12)以及6个续流二极管(VD7-VD12)，所述6个IGBT为第七 IGBT(VS7)、第九IGBT(VS9)、第十一IGBT(VS11)、第八IGBT(VS8)、第十 IGBT(VS10)、第十二IGBT(VS12)，所述6个续流二极管为第七续流二极管 (VD7)、第八续流二极管(VD8)，第九续流二极管(VD9)、第十续流二极管(VD10)，第十一续流二极管(VD11)、第十二续流二极管(VD12)：

V7-V12为DC/AC部分功率开关管，每个桥臂由IGBT功率管及反并联的二极管组成，并网状态下，电流由高压直流母线侧(即#1直流输入端口) 流向DC/AC变换侧，在控制信号驱动下，6个功率管交替导通关断，由于存在负载电流不能立即改变方向，各二极管导通续流，同桥臂的上下两个功率之间(上下的VD7、VD8，VD9、VD10，VD11、VD12之间)存在死区时间可防止同时导通，经功率模块逆变输出的波形采用脉宽调制技术处理。

由L4与C5组成的LC滤波回路(此部分电路在本领域属于现有技术)，对功率模块输出波形滤波处理使趋向正弦波，即滤除功率模块逆变出的高次谐波，向变压器T1输出平滑的正弦波；

T1为隔离变压器，将电力电子部分与系统做电气隔离；

通过#4交流侧输出端口将变压器T1输出的交流连接至公共电网或者负载。

正常运行时直流母线充电，VS7-VS12交错开通关断，VD7-12进行回路续流，LC回路滤除高次谐波分量，经过变压器并网，#4端口为设备并网点，可直接接入电网或负载。

四、直流侧输入输出(如图3所示右部分拓扑图)

#1端口：通过导线直接连接至直流环网

需要声明的是，以上控制部分属于本领域现有技术，系统进行必要的类如对输出电压的控制、功率调整、恒压/恒流控制、恒压/恒频控制、对功率管导通关断控制、对同桥臂两个功率管死区时间控制、对输出波形采用脉宽调制进行必要的处理等各功能，利用常规技术即可实现，即传统常规功率变换器中的中央控制单元通常都也需要完成的内容。

需要声明的是，控制部分不属于本实用新型的发明任务，本实用新型技术方案的关键技术贡献在于公开电路的拓扑结构设计，以实现“一对多路由器”及“直流环网架构”设想的发明任务。控制部分是后续研发考虑的问题。

本实施例直流环网运行模式介绍：

多端口能源路由器通过直流输入及输出端口#1并入直流配网，能量可双向流动，在能源路由器直流输出口侧可配置有双向直流电表，可计量能源路由器对外输出功率，当能源路由器#4交流网络出现短暂性停电时，可通过直流端口侧能量支撑，由能源路由器#2或能源路由器#3供电，各路由器之间能量可互联。该运行模式继承了直流配网的优势，同时由于采取能源路由器可直接并入直流配网，减少了一级变换，在整体供电的效率上有提升。

直流环网优势：将用电负荷合理分配，缩短供电半径，全面提高用户端的电压质量。当线路某一部分出现故障，可及时隔离故障部分，避免引起大规模的停电事故。

实施例2

本实施例2是对实施例1进一步拓展，如图1所示构成的系统结构，将实施例1构造的小型的局域直流配电网经过直流传输线路与其他直流配网形成互联，组成多层次的直流系统。如此，各局域直流系统之间能量可互相流动，进一步增强直流配电系统的稳定性及抗干扰性。