一种复合型能量路由器及控制方法与流程

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种复合型能量路由器及其控制方法。

背景技术：

电力系统由于大量分布式电源、各类电力电子装置等的接入，开启了电力电子化进程，并对电力系统的安全稳定运行带来极大挑战。伴随着非线性负荷的激增，严重影响供电电能质量，与敏感性负荷用户对高质量电力定制的诉求背道而驰，导致电能质量问题日益突出，而配电系统首当其冲。

配电系统中的传统配电变压器因功能过于单一越来越难以满足电力系统的要求，并存在体积、重量大，污染严重；空载损耗较高；无法隔离故障；带非线性负载时，畸变电流及谐波对电网造成污染等诸多缺点；在原有配电网中加装各类电能治理装置更加剧了配电网结构的复杂性。因此，电力电子变压器(powerelectronictransformer，pet)应运而生并得到广泛研究。pet通过电力电子变换技术和高频变压器实现电压灵活变换、潮流控制、无功补偿以及电能质量治理，并提高功率密度，有望成为未来智能配电系统中的核心装置。但pet多级变换导致其效率相对较低，可靠性有待考究，并且其电压等级、容量受制于功率器件/模块，成本昂贵。

技术实现要素：

为了解决现有技术中传统配电变压器功能单一，并存在体积、重量大，污染严重；空载损耗较高；无法隔离故障；带非线性负载时，畸变电流及谐波对电网造成污染等诸多缺点。而新型pet却存在效率相对较低，可靠性有待考究，并且其电压等级、容量受制于功率器件/模块，成本昂贵等弊端，本发明提供一种复合型能量路由器。

本发明提供的技术方案是：一种复合型能量路由器，包括：

至少5个绕组的多绕组变压器(1)、双绕组变压器(2)和至少4个整流器(3)；

所述多绕组变压器(1)的第1绕组与双绕组变压器(2)串联接入交流电网，所述双绕组变压器(2)与第1整流器连接；

所述多绕组变压器(1)的第2绕组为低压交流端口；

所述多绕组变压器(1)的第3绕组与第4整流器连接，所述第4整流器为高品质低压交流端口；

所述多绕组变压器(1)的第4绕组与第3整流器连接，所述第3整流器为低压直流端口；

所述多绕组变压器(1)的第5绕组与第2整流器连接，所述第2整流器为高压直流端口；

所述第1整流器与所述第2整流器背靠背连接，生成中压直流端口。

优选的，所述整流器(3)为ac/dc变流器。

优选的，所述背靠背交流器，还包括：2个lc滤波单元和中间直流稳压单元；

所述lc滤波单元分别连接在第1整流器和第2整流器的两端，所述中间直流稳压单元并联在所述第1整流器与第2整流器之间；

中压直流端口并联在所述中间直流稳压单元两侧，用于连接中压直流负荷，并接受分布式电源的接入。

优选的，所述多绕组变压器(1)为三相工频变压器或单相工频变压器。

优选的，当所述多绕组变压器(1)为三相工频变压器时，所述多绕组变压器(1)的第1绕组与双绕组变压器(2)串联接入10kv-110v交流配电网；

当所述多绕组变压器(1)为单相工频变压器时，所述多绕组变压器(1)的第1绕组与双绕组变压器(2)串联接入10kv-110v交流配电网。

优选的，当所述多绕组变压器(1)为三相工频变压器时，所述双绕组变压器(2)采用三相变换器，所述整流器(3)采用两电平三相全桥结构；

当所述多绕组变压器(1)为单相工频变压器时，所述双绕组变压器(2)采用单相变换器，所述整流器(3)采用两电平单相全桥结构。

基于同一发明构思，本发明提供了一种复合型能量路由器的控制方法，包括：

将权利要求1-6任一项所述的复合型能量路由器中的第1绕组和双绕组变压器(2)接入交流电网；

基于多绕组变压器(1)和双绕组变压器(2)的电压电流值，进行第1整流器和第2整流器中电压谐波和电流谐波的补偿；

基于直流电压外环、电流内环控制第3整流器或第4整流器的直流电压。

优选的，所述基于多绕组变压器(1)和双绕组变压器(2)的电压电流值，进行第1整流器和第2整流器中电压谐波和电流谐波的补偿，包括：

当所述多绕组变压器(1)接入三相交流电网时，获取所述第1整流器的网侧三相电压；

将所述网侧三相电压基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电压谐波的补偿；

获取所述第2整流器的电网三相电压和电网三相电流；

将所述电网三相电压和电网三相电流基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电流谐波的补偿。

优选的，所述基于多绕组变压器(1)和双绕组变压器(2)的电压电流值，进行第1整流器和第2整流器中电压谐波和电流谐波的补偿，还包括：

当所述多绕组变压器(1)接入单相交流电网时，将获取的所述第1整流器的网侧单相电压拓展为对称的网侧三相电压；

将所述网侧三相电压基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电压谐波的补偿；

获取所述第2整流器的电网单相电压和电网单相电流，并将所述电网单相电压和电网单相电流拓展为对称的电网三相电压和电网三相电流；

将所述电网三相电压和电网三相电流基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电流谐波的补偿。

优选的，所述将所述网侧三相电压基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电压谐波的补偿，包括：

将所述网侧三相电压经过同步旋转坐标变换得到有功、无功及零序分量；

对所述有功、无功及零序分量进行滤波得到有功、无功直流分量；

对所述有功、无功直流分量进行坐标变换，获得谐波电压分量；

基于所述网侧三相电压与谐波电压分量之差，得到电压谐波及畸变分量，用于补偿电压谐波。

优选的，所述将所述电网三相电压和电网三相电流基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电流谐波的补偿，包括：

对所述电网三相电压分别进行正序同步旋转坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量；

对所述电网三相电流分别进行正序同步旋转交坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号；

基于所述正序无功电流信号和负序有功、无功信号分别对所述正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量进行控制，用于进行电流谐波的补偿。

优选的，所述将所述电网三相电压和电网三相电流基于坐标变换，提取谐波分量，用于进行电流谐波的补偿，还包括：

采集所述第2整流器的直流侧电压；

获取所述直流侧电压与预设定值的差值；

基于pi调节器对所述差值进行调节，获得正序有功电流参考值；

基于所述正序有功电流参考值进行正序有功分量的控制，维持直流电压端口的直流电压稳定。

优选的，所述基于直流电压外环、电流内环控制第3整流器或第4整流器的直流电压，包括：

将采集的第3整流器或第4整流器的直流电压与预设参考值进行比较，获得第一比较值；

将所述第一比较值通过pi调节器生成d轴电流参考值，并将q轴电流参考值设置为0；

将采集的第3整流器或第4整流器的网侧电流经过dq0正交坐标变换，得到有功分量和无功分量；

所述d轴电流参考值、q轴电流参考值与所述有功分量和无功分量进行比较，获得第二比较值；

将所述第二比较值通过pi调节器获得电压指令，控制第3整流器或第4整流器的直流电压。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供的复合型能量路由器，提供了多个端口实现了为高中低多电压等级配电，为不同类型的负荷供电，并能接纳分布式电源的接入，与电力电子变压器相比结构简单、效率高且可靠性强，成本低，通过隔离减少了分布式电源、柔性负荷直接接入配电网带来的谐波污染及危害。

本发明提供的复合型能量路由器，兼顾了传统配电变压器和新型电力电子变压器的相关拓扑及其关键控制技术，充分发挥其优势，弥补现有技术的不足，在实际工程应用与理论研究层面都将具有重要意义。

本发明提供的复合型能量路由器，适用于智能配电网的中低压配电变压器，可提供交流单相、三相及直流多电压等级配电，并可接纳分布式电源等的接入，兼具电能质量治理功能。

本发明提供的复合型能量路由器，既具备传统工频变压器电能传输、电压转换等基本功能，又通过与电力电子变换器结合，具备单相、三相交流配电、高中低多电压等级直流配电、接纳分布式电源等功能。

本发明提供复合型能量路由器的电能质量控制方法，通过输出稳定的交直流电压，有效抑制电压波动、谐波，并进行无功补偿，实现电能质量治理及其高质量电力定制功能，提供稳定的交直流电压。

附图说明

图1为本发明提供的一种复合型能量路由器结构示意图；

1-多绕组变压器；2-双绕组变压器；3-整流器；

图2为本发明实施例中一种三相复合型能量路由器的具体结构示意图；

图3为本发明实施例中一种单相复合型能量路由器的具体结构示意图；

图4为本发明中两电平三相全桥结构示意图；

图5为本发明中两电平单相全桥结构示意图；

图6为本发明中由ac/dc变流器1和ac/dc变流器2构建的背靠背结构示意图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和实例对本发明的内容做进一步的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明基于多绕组工频变压器，提出一种复合型能量路由器拓扑结构，包括：至少5个绕组的多绕组变压器(1)、双绕组变压器(2)和至少4个整流器(3)；

所述多绕组变压器(1)的第1绕组与双绕组变压器(2)串联接入交流电网，所述双绕组变压器(2)与第1整流器连接；

所述多绕组变压器(1)的第2绕组为低压交流端口；

所述多绕组变压器(1)的第3绕组与第4整流器连接，所述第4整流器为高品质低压交流端口；

所述多绕组变压器(1)的第4绕组与第3整流器连接，所述第3整流器为低压直流端口；

所述多绕组变压器(1)的第5绕组与第2整流器连接，所述第2整流器为高压直流端口；

所述第1整流器与所述第2整流器背靠背连接，生成中压直流端口。

如图2所示，具体包括中低压交流配电网的多绕组工频变压器1、双绕组变压器2、适用于三角形-星形连接的串并联背靠背变流器、多个整流器3。该多绕组工频变压器1包含多个(＞5个)绕组，其中第1绕组连接10kv或者380v交流配电网，第2绕组主回路通过星形连接直接作为三相四线低压交流用电线路，连接普通交流负载；第3绕组连接整流器3提供高压直流；第4绕组连接整流器3提供低压直流；其他绕组可根据需要选择与第2、3、4绕组连接的相同整流器。第5绕组通过背靠背变流器与双绕组变压器2的第二绕组连接后，与高品质低压交流用电负荷连接。而背靠背变流器的中间直流环节提供中压直流，从而构成了融合工频变压器的复合型能量路由器拓扑结构。

本发明提供的复合型能量路由器拓扑结构同样适用于单相供电系统，不同之处在于变压器变为单相多绕组变压器，电力电子变换器变为单相变换器。

如图4所示为两电平三相全桥结构的整流器3，通过整流提供不同电压等级的直流端口(包括高、低电压等级)，各端口连接线路可用于直流负荷、分布式电源接入。

如图6所示为本实施例中背靠背变流器的结构示意图，包含三相全桥结构的第1整流器、第2整流器、两侧的lc滤波单元、中间直流稳压单元和中压直流端口，各单元依次相连，中压直流端口并联在中间直流稳压单元出口两侧，用于中压直流负荷、分布式电源的接入。

本实施例中第1整流器为逆变单元，第2整流器、第3整流器和第4整流器为整流单元。

该复合型能量路由器中的背靠背变流器输出端口通过双绕组变压器2与多绕组变压器3的第5绕组负载端串联耦合，背靠背变流器中的整流单元实现复合型能量路由器中的无功补偿、谐波治理等电能治理功能，逆变单元则实现高品质低压用电线路的电压调节功能。

本实施例在复合型能量路由器结构的基础上，进一步提出其控制方法：

提供高、低直流电压的整流单元(第3整流器和第4整流器)均采用直流电压外环、电流内环控制方法；

背靠背变流器的前级整流单元(第2整流器)和后级逆变单元(第1整流器)根据坐标变换，提取谐波分量，实现电压谐波和电流谐波的补偿。

其中，提供高、低直流电压的整流单元均采用直流电压外环、电流内环控制方法，包括：

采集直流电压与参考值进行比较并通过pi调节后生成d轴电流参考值id^*，而q轴电流参考值iq^*设置为0，从而保证整流单元运行在单位功率因数；

dq轴电流参考值与网侧电流经过dq0正交坐标变换后得到的有功分量id和无功分量iq进行比较，并通过pi调节得到svpwm模块的输入电压指令并驱动igbt，从而完成各整流器的控制。

进一步的，背靠背变流器的前级整流单元和后级逆变单元根据坐标变换，提取谐波分量，实现电压谐波和电流谐波的补偿，包括：

背靠背变流器的前级整流单元首先采集网侧三相电压，并经过同步旋转坐标变换得到有功、无功及零序分量，通过滤波得到有功、无功直流分量，进一步坐标变换，得到谐波电压分量，将网侧电压减去谐波分量即得到电压谐波及畸变分量，用于背靠背变流器串联侧(整流单元)补偿电压谐波；

背靠背变流器的后级逆变单元采集电网三相电压，对三相电压进行正序同步旋转坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量。

同时，后级逆变单元采集电网三相电流，分别进行正序同步旋转交坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号。进而分别对正、负序有功和无功分量进行控制，从而完成背靠背变流器并联侧(逆变单元)谐波无功电流的补偿。

而对于单相复合型能量路由器，将检测到的单相电压电流信号拓展为对称三相信号，然后借鉴三相复合型能量路由器的控制方法进行补偿，与三相复合型能量路由器的控制方法原理相同。

此外，背靠背变流器的后级逆变单元还维持其直流电压的稳定控制，采集直流侧电压udc，与给定值udcref作差后进入pi调节器进行调节，输出正序有功电流参考值，进而参与到正序有功分量的控制中。

最终，通过背靠背变流器前后级变换器的配合，完成复合能量路由器电能质量治理控制。

实施例2：

本实施提出一种融合工频变压器的复合型能量路由器结构及其控制方法，该复合型能量路由器即具备传统工频变压器电能传输、电压转换等基本功能，又通过与电力电子变换器结合，具备单相、三相交流配电、高中低多电压等级直流配电、接纳分布式电源等功能。同时通过复合型能量路由器的电能质量控制方法，进行有源滤波、无功补偿，实现电能质量治理及其高质量电力定制功能，提供稳定的交直流电压。

本实施例提供的复合型能量路由器结构简单、效率和可靠性更高，成本低，可作为传统变压器与电力电子变压器之间的过渡产品，应用于当前配电网将具有广泛应用前景及实用价值。

1)三相融合工频变压器的复合型能量路由器。

如图2所示为三相融合工频变压器的复合型能量路由器拓扑结构，包括10kv-110v交流配电网的多绕组工频变压器t1、双绕组变压器t2、适用于三角形-星形连接的串并联背靠背变流器和多个整流器。

其中该多绕组工频变压器t1包含多个(＞5个)绕组，t1与t2各相分别串联连接。其中t1第一绕组w11采用三角形连接，连接10kv-110v交流配电网，t1第二绕组w12主回路通过星形连接直接作为三相四线低压交流用电线路，连接普通交流负载，同时接纳交流分布式电源的接入。t1第三绕组w13连接ac/dc变流器4，通过其整流提供高压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。t1第四绕组w14连接ac/dc变流器4，通过其整流提供低压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。

多绕组工频变压器可根据需要增加绕组个数和相应的ac/dc变流器，并设置其对应直流输出电压等级。t1第五绕组w15通过背靠背变流器的ac/dc变流器2和ac/dc变流器1与双绕组变压器t2的第二绕组w22连接后，与高品质低压交流用电负荷连接。而背靠背变流器的中间直流环节提供中压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。

其中，该拓扑结构中的各整流器(ac/dc变流器1、ac/dc变流器2、ac/dc变流器3、ac/dc变流器4)均为两电平三相全桥结构。

在三相复合型能量路由器结构的基础上，进一步提出其控制方法。其中，用于提供高、低直流电压的整流器(ac/dc变流器3、ac/dc变流器4)均采用直流电压外环、电流内环控制方法，包括：

采集直流电压与参考值进行比较并通过pi调节后生成d轴电流参考值id^*，而q轴电流参考值iq^*设置为0，从而保证整流器运行在单位功率因数；

dq轴电流参考值与网侧电流经过dq0正交坐标变换后得到的有功分量id和无功分量iq进行比较，并通过pi调节得到svpwm模块的输入电压指令并驱动igbt，从而完成各整流器的控制。

背靠背变流器的前级整流单元ac/dc变流器1首先采集网侧三相电压，并经过同步旋转坐标变换得到有功、无功及零序分量，通过滤波得到有功、无功直流分量，进一步坐标变换，得到谐波电压分量，将网侧电压减去谐波分量即得到电压谐波及畸变分量，用于背靠背变流器串联侧整流单元(ac/dc变流器1)补偿电压谐波；

背靠背变流器的后级逆变单元ac/dc变流器2采集电网三相电压，对三相电压进行正序同步旋转坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量。

同时，后级逆变单元ac/dc变流器2采集电网三相电流，分别进行正序同步旋转交坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号。进而分别对正、负序有功和无功分量进行控制，从而完成背靠背变流器并联侧(逆变单元)谐波无功电流的补偿。

此外，背靠背变流器的后级逆变单元还维持其直流电压的稳定控制，采集直流侧电压udc，与给定值udcref作差后进入pi调节器进行调节，输出正序有功电流参考值，进而参与到正序有功分量的控制中。

2)单相融合工频变压器的复合型能量路由器。

如图3所示为单相融合工频变压器的复合型能量路由器拓扑结构，包括交流配电网的多绕组工频变压器t1’、双绕组变压器t2’、串并联背靠背变流器、多个单相整流器。

其中该多绕组工频变压器t1’包含多个(＞5个)绕组，t1’与t2’串联连接。其中t1’第一绕组w11’连接10kv-110v交流配电网，t1’第二绕组w12’直接提供低压交流用电线路，连接普通单相交流负载，同时接纳交流分布式电源的接入。t1’第三绕组w13’连接ac/dc变流器4’，通过其整流提供高压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。t1’第四绕组w14’连接ac/dc变流器4’，通过其整流提供低压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。其他绕组可根据需要选择与w12’、w13’、w14’连接的相同的ac/dc变流器，并设置其对应直流输出电压等级。t1’第五绕组w15’通过背靠背变流器的ac/dc变流器2’和ac/dc变流器1’与双绕组变压器t2’的第二绕组w22’连接后，与高品质低压交流用电负荷连接。而背靠背变流器的中间直流环节提供中压直流，并用于对应电压等级的直流负荷及分布式电源的接入。

其中，该拓扑结构中的各整流器(ac/dc变流器1’、ac/dc变流器2’、ac/dc变流器3’、ac/dc变流器4’)采用如图5所示的两电平单相全桥结构。

在单相复合型能量路由器结构的基础上，进一步提出其控制方法。其中，用于提供高、低直流电压的整流器(ac/dc变流器3’、ac/dc变流器4’)均采用直流电压外环、电流内环控制方法，包括：

采集直流电压与参考值进行比较并通过pi调节后生成d轴电流参考值id^*，而q轴电流参考值iq^*设置为0，从而保证整流器(ac/dc变流器3’、ac/dc变流器4’)运行在单位功率因数；

dq轴电流参考值与通过pll采集网侧电流，并构造出dq0正交坐标系下有功分量id和无功分量iq进行比较，并通过pi调节得到spwm模块的输入电压指令并驱动igbt，从而完成各整流器的控制。

背靠背变流器的前级整流单元ac/dc变流器1’首先采集网侧单相电压，并拓展为对称三相信号并经过同步旋转坐标变换得到有功、无功及零序分量，通过滤波得到有功、无功直流分量，进一步坐标变换，得到谐波电压分量，将网侧电压减去谐波分量即得到电压谐波及畸变分量，用于背靠背变流器串联侧整流单元(ac/dc变流器1’)补偿电压谐波；

背靠背变流器的后级逆变单元ac/dc变流器2’采集电网单相电压，拓展为对称三相信号，进行正序同步旋转坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序有功和无功分量以及负序有功和无功分量。同时，后级逆变单元ac/dc变流器2’采集电网单相电流，同样拓展为对称三相信号，分别进行正序同步旋转交坐标变换和负序同步旋转坐标变换，得到正序无功电流信号和负序有功、无功信号。进而分别对正、负序有功和无功分量进行控制，从而完成背靠背变流器并联侧逆变单元(ac/dc变流器2’)谐波无功电流的补偿。

此外，背靠背变流器的后级逆变单元还维持其直流电压的稳定控制，采集直流侧电压udc’，与给定值udcref’作差后进入pi调节器进行调节，输出正序有功电流参考值，进而参与到正序有功分量的控制中。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。