一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构的制作方法
【专利摘要】一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构，包括输入模块、输出模块、DC/DC模块。所述基本单元模块可构成三相交流输入、三相交流和直流输出的基于共铁芯多绕组中频或者高频变压器的能量路由器，能量路由器的输入模块由3个滤波电抗器、3*n个直流电容和3*n个相互级联的H桥型整流单元构成；输出模块由个3个滤波电抗器、3个滤波电容，1个直流电容和1个三相逆变单元构成；DC/DC模块由1个共铁芯多绕组中频或者高频变压器、n个H桥型整流单元和n个H桥型逆变单元构成。本发明的路由器可方便地与可再生能源发电设备、储能设备、不同负荷相连，提高供电和用电的灵活性，能同时输出直流电和交流电，且输出电压可调，满足用户的不同需求。
【专利说明】
一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构
技术领域
[0001]本发明涉及电子设备技术领域，特别是涉及一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构。
【背景技术】
[0002]能量路由器是一种采用电力电子器件和高频变压器，通过电力电子变换技术实现电能变换、电压转换、电力传输和电能质量治理的新型化电力装置。到目前为止，国内外研究者已经提出多种类型的能量路由器装置，这些装置有各自的优缺点。在面向分布式电源纳入的直流电网供电需求时，对装置的功能要求更高，一般的能量路由器结构变得更加复杂，可拓展性较差。
[0003]现有的配电网存在如下的问题，第一、配电网的网络结构和运行模式灵活性、互动性不足，不能有效利用分布式、间歇性可再生能源，也难以满足电动汽车等不确定性负荷灵活接入和有序用电。
[0004]第二、一次设备智能化程度不高，一二次设备融合不足，缺乏灵活的潮流调节和电压控制手段，不具有可灵活优化配置的能力，电力设备的利用率偏低。
[0005]第三、配电网中的非线性负荷越来越多，电压瞬时跌落、电压波动、电网谐波、三相不平衡现象加剧等一系列电能质量问题。
[0006]第四、电力变压器体积、重量大，变压器绝缘油会带来环境问题，不易维护，其铁磁原件的非线性特性会造成电网电压和电流畸变，产生谐波污染。
[0007]第五、电网侧或负荷侧发生故障时，不能隔离故障，导致故障范围扩大，不具备自保护功能，需要配套的继电保护装置；
[0008]第六、无智能机构，不能实现配电网与配电网其它设备的互动。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种能同时输出直流电和交流电，且输出电压可调的实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构。
[0010]为实现上述发明目的，本发明提供的技术方案是:
[0011]—种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构，所述路由器包括整流器、变换器和逆变器，每相具有η组级联的H桥型PWM整流器在输入侧，DC/DC变换器和I组三相PWM逆变器在输出侧;在每一相内，所述η组级联的PffM整流器交流侧联结交流电网的一相，所述η组级联的PWM整流器直流侧经η组电容连接所述DC/DC变换器;所述DC/DC变换器的直流输出侧经过并联输出直流电压，同时通过三相逆变实现三相交流输出。
[0012]进一步地，输入侧电网的A、B、C三相分别经过滤波电抗器la、lb、I c连接于整流单元 1瓜、11'13、11'(3的桥臂中性点313，3213，32(3;
[0013]输入侧电网的A相经过滤波电抗Ia连接于整流单元I a的桥臂I中性点a I a，整流单元I ra的桥臂2中性点b I a连接于整流单元2ra的桥臂I中性点a2a，依次循环往复连接，整流单元nra的桥臂2中性点bna输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Cl a，C2a，......Can ；
[0014]输入侧电网的B相经过滤波电抗Ib连接于整流单元I b的桥臂I中性点a I b，整流单元Irb的桥臂2中性点bib连接于整流单元2rb的桥臂I中性点a2b，依次循环往复连接，整流单元nrb的桥臂2中性点bnb输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Clb，C2b，......Cnb ；
[0015]输入侧电网的C相经过滤波电抗Ic连接于整流单元I c的桥臂I中性点a I c，整流单元Irc的桥臂2中性点blc连接于整流单元2rc的桥臂I中性点a2c，依次循环往复连接，整流单元nrc的桥臂2中性点bnc输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Cl c，C2c，......Cnc;
[0016]整流单元^^、111'13、111'(3的桥臂2中性点131^、131113、1311(3以￥型方式连接。
[0017]进一步地，所述每相DC/DC模块包括η组H桥逆变单元、共铁芯多绕组中高频变压器和η组H桥整流单元，所述η组逆变单元的直流侧与所述输入侧级联的η组H桥单元直流侧相连接，所述η组逆变单元的交流侧连接所述中高频变压器的η个原边绕组，所述η组整流单元的交流侧连接所述多绕组变压器的η个副边绕组，所述η组整流单元的直流侧通过并联经过直流电容Co后与输出侧连接。
[00? 8] 进一步地，输入侧电网的a相经过滤波电抗Lao连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂I中性点ao，输入侧电网的b相经过滤波电抗Lbo连接于三相PffM逆变单元VSI的桥臂2中性点bo，输入侧电网的c相经过滤波电抗Lbo连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂3中性点co，滤波电容Cao、Cbo、Cco三者Y型连接于输出电网的a、b、c三相；
[0019]三相P丽逆变单元VSI的正负直流母线与DC/DC单元输出的正负直流母线分别相连。
[0020]采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果:
[0021]第一，本发明的路由器可方便地与可再生能源发电设备、储能设备、不同负荷相连，提高供电和用电的灵活性，能同时输出直流电和交流电，且输出电压可调，满足用户的不同需求。
[0022]第二、本发明的路由器在结构上省去传统工频变压器，由于多绕组变压器的各个绕组都交链同一个磁链，通过各绕组之间的功率耦合关系，可以实现各绕组输出功率的平衡;本发明的路由器采用共用铁芯结构，实现装置紧凑化，提升了装置的功率密度。
[0023]第三、在本发明的电路中原边电流、副边电压、电流以及有功功率、无功功率均可控制，实现功率的灵活调度，路由器的功率因数任意可调，可实现无功补偿的功能；路由器通过AC-DC-AC的方式实现，可抑制电网谐波，并消除电压跌落、三相电压不平衡对负荷影响；同时，内设有中高频变压器，可满足电气隔离的要求。
【附图说明】
[0024]图1为本发明实施例单相路由器拓扑结构示意图；
[0025]图2为本另一发明实施例三相路由器拓扑结构示意图。
【具体实施方式】
[0026]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的结构图及具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0027]本发明提供了一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构，路由器包括整流器、变换器和逆变器，每相具有η组级联的H桥型PWM整流器在输入侧，DC/DC变换器和I组三相HVM逆变器在输出侧;在每一相内，所述η组级联的HVM整流器交流侧联结交流电网的一相，所述η组级联的PffM整流器直流侧经η组电容连接所述DC/DC变换器;所述DC/DC变换器的直流输出侧经过并联输出直流电压，同时通过三相逆变实现三相交流输出。
[0028]实施例1
[0029]图1为单相路由器拓扑结构示意图是本发明拓扑的基本单元模块，如图1所示，三相中的每一相基本单元模块由输入侧，DC/DC单元和输出侧构成。
[0030]输入侧采用η个H桥型整流器单元(lra，2ra，……，nra)级联而成(η为大于I的整数)。输入侧电网的A相经过滤波电抗Ia连接于整流单元Ia的桥臂I中性点ala，整流单元Ira的桥臂2中性点bIa连接于整流单元2ra的桥臂I中性点a2a，循环往复，以此连接，整流单元nr a的桥臂2中性点bna输出。整流单元的I r a的输出侧并联均压电容CI a，整流单元的2r a的输出侧并联均压电容C2a，以此方式连接，整流单元的nra的输出侧并联均压电容Can.。
[0031]在DC/DC单元中，共包括η组原边的H桥逆变单元、共铁芯多绕组中高频变压器和副边的η组H桥整流单元。在DC/DC单元的原边，逆变单元Iia的直流侧和直流电容Cla并联，交流侧与多绕组变压器的绕组rl相连;逆变单元2ia的直流侧和直流电容C2a并联，交流侧与多绕组变压器的绕组r2相连;循环往复，以此连接，逆变单元nia的直流侧和直流电容Cna并联，交流侧与多绕组变压器的绕组rn相连。在DC/DC单元的副边，整流单元Ira’的直流侧和输出侧直流电容Co并联，交流侧与多绕组变压器的绕组rl’相连;整流单元2ra’的直流侧和输出侧直流电容Co并联，交流侧与多绕组变压器的绕组r2’相连;循环往复，以此连接，整流单元nra’的直流侧和输出侧直流电容Co并联，交流侧与多绕组变压器的绕组rn’相连。
[0032]在输出侧，将DC/DC单元副边的整流单元Ira’、2ra’..-nra’直流输出侧的正负直流母线分别相连后，经过直流电容Co形成直流电压输出。同时直流电压经过逆变单元VSI的逆变之后，VSI的三个桥臂中性点ao、bo、CO的电压经过输出侧的滤波电感Lao、Lbo、Lco和滤波电容Cao、Cbo、Cco的滤波作用后，形成三相交流电压输出。
[0033]实施例2
[0034]图2所示为本发明整体拓扑结构，三相交流输入，三相交流和直流输出的能量路由器。基本单元模块由输入侧、DC/DC变换器和输出侧组成。
[0035]能量路由器输入侧由若干个H桥PWM整流器级联构成，其输入为交流电网电压，输出为若干个独立的直流电，即各级联H桥PWM整流器的输出；中间环节为若干个独立的双向DC/DC变换器，起着电气隔离和电压等级变换的作用;输出侧将各双向DC/DC变换器的直流输出直接并联，并通过一个DC/AC逆变器变换成交流电。
[0036]在能量路由器的输入侧中，输入侧为多个级联的H桥单相PffM整流器，通过多个H桥级联可以获得较高的输入电压值。输入侧电网的A、B、C三相分别经过滤波电抗器la、lb、lc连接于整流单元11^、11^、11^的桥臂中性点31￡1，321)，&2。。
[0037]输入侧电网的A相经过滤波电抗13连接于整流单元Ia的桥臂I中性点ala，整流单元Ira的桥臂2中性点!^连接于整流单元2ra的桥臂I中性点a2a，循环往复，以此连接，整流单元nra的桥臂2中性点bna输出。每组整流单元的输出侧并联均压电容Cla，C2a，……，Cna。
[0038]输入侧电网的B相经过滤波电抗Ib连接于整流单元Ib的桥臂I中性点alb，整流单元Irb的桥臂2中性点bib连接于整流单元2rb的桥臂I中性点a2b，循环往复，以此连接，整流单元nrb的桥臂2中性点bnb输出。每组整流单元的输出侧并联均压电容Clb，C2b，……，Cnb。
[0039 ]输入侧电网的C相经过滤波电抗I。连接于整流单元I。的桥臂I中性点alc，整流单元Ir。的桥臂2中性点bi。连接于整流单元2r。的桥臂I中性点a2。，循环往复，以此连接，整流单元nr。的桥臂2中性点bn。输出。每组整流单元的输出侧并联均压电容Clc，C2。，……，Cn。。
[0040 ] 整流单元nra、nrb、nr。的桥臂2中性点bna、bnb、bn。以Y型方式连接。
[0041 ]能量路由器的DC/DC单元，各DC-DC变换器的高频变压器尽管具有自己独立的输入/输出绕组，但铁芯是共用的，相互之间存在磁性耦合，每相DC/DC模块包括η组H桥逆变单元、共铁芯多绕组中高频变压器和η组H桥整流单元。η组逆变单元的直流侧与输入侧级联的η组H桥单元直流侧相连接，η组逆变单元的交流侧连接中高频变压器的η个原边绕组，η组整流单元的交流侧连接多绕组变压器的η个副边绕组，η组整流单元的直流侧通过并联经过直流电容C。后与输出侧连接。
[0042]能量路由器的输出侧，电网的a相经过滤波电抗U。连接于三相P丽逆变单元VSI的桥臂I中性点a。，输入侧电网的b相经过滤波电抗U。连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂2中性点b。，输入侧电网的c相经过滤波电抗U。连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂3中性点C。，滤波电容CaoXboXc。三者Y型连接于输出电网的a、b、c三相。三相PffM逆变单元VSI的正负直流母线与DC/DC单元输出的正负直流母线分别相连。
[0043]以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【主权项】
1.一种实现分布式电源集成的能量路由器拓扑结构，所述路由器包括整流器、变换器和逆变器，其特征在于:每相具有η组级联的H桥型PWM整流器在输入侧，DC/DC变换器和I组三相PffM逆变器在输出侧;在每一相内，所述η组级联的PWM整流器交流侧联结交流电网的一相，所述η组级联的PffM整流器直流侧经η组电容连接所述DC/DC变换器;所述DC/DC变换器的直流输出侧经过并联输出直流电压，同时通过三相逆变实现三相交流输出。2.根据权利要求1所述的能量路由器拓扑结构，其特征在于:输入侧电网的A、B、C三相分别经过滤波电抗器I a、I b、I c连接于整流单元I ra、I rb、I r c的桥臂中性点a I a，a2b，a2c; 输入侧电网的A相经过滤波电抗la连接于整流单元la的桥臂I中性点ala，整流单元Ira的桥臂2中性点b Ia连接于整流单元2ra的桥臂I中性点a2a，依次循环往复连接，整流单元nra的桥臂2中性点bna输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Cl a，C2a，......Can ； 输入侧电网的B相经过滤波电抗I b连接于整流单元I b的桥臂I中性点a I b，整流单元Irb的桥臂2中性点bib连接于整流单元2rb的桥臂I中性点a2b，依次循环往复连接，整流单元nrb的桥臂2中性点bnb输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Clb，C2b，......Cnb ； 输入侧电网的C相经过滤波电抗I c连接于整流单元I c的桥臂I中性点a I c，整流单元Ir c的桥臂2中性点b I c连接于整流单元2rc的桥臂I中性点a2c，依次循环往复连接，整流单元nrc的桥臂2中性点bnc输出，每组整流单元的输出侧并联均压电容Cl c，C2c，......Cnc; 整流单元nra、nrb、nr c的桥臂2中性点bna、bnb、bnc以Y型方式连接。3.根据权利要求1或2中任一项所述的能量路由器拓扑结构，其特征在于，所述每相DC/DC模块包括η组H桥逆变单元、共铁芯多绕组中高频变压器和η组H桥整流单元，所述η组逆变单元的直流侧与所述输入侧级联的η组H桥单元直流侧相连接，所述η组逆变单元的交流侧连接所述中高频变压器的η个原边绕组，所述η组整流单元的交流侧连接所述多绕组变压器的η个副边绕组，所述η组整流单元的直流侧通过并联经过直流电容Co后与输出侧连接。4.根据权利要求1或2中任一项所述的能量路由器拓扑结构，其特征在于:输入侧电网的a相经过滤波电抗Lao连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂I中性点ao，输入侧电网的b相经过滤波电抗Lbo连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂2中性点bo，输入侧电网的c相经过滤波电抗Lbo连接于三相PffM逆变单元VSI的桥臂3中性点Co，滤波电容Cao、Cbo、Cco三者Y型连接于输出电网的a、b、c三相； 三相PffM逆变单元VSI的正负直流母线与DC/DC单元输出的正负直流母线分别相连。5.根据权利要求3所述的能量路由器拓扑结构，其特征在于:输入侧电网的a相经过滤波电抗Lao连接于三相PWM逆变单元VSI的桥臂I中性点ao，输入侧电网的b相经过滤波电抗Lbo连接于三相PffM逆变单元VSI的桥臂2中性点bo，输入侧电网的c相经过滤波电抗Lbo连接于三相PffM逆变单元VSI的桥臂3中性点co，滤波电容Cao、Cbo、Cco三者Y型连接于输出电网的a、b、c三相； 三相PffM逆变单元VSI的正负直流母线与DC/DC单元输出的正负直流母线分别相连。
【文档编号】H02M7/5387GK106026683SQ201610299353
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月6日
【发明人】武琳, 魏建功, 张毅, 杨选怀, 袁晓东, 柳丹, 王炎军, 李玉凯, 王兰香
【申请人】国家电网公司, 北京科东电力控制系统有限责任公司, 国网江苏省电力公司电力科学研究院, 南京南瑞集团公司