一种用于串并联架构的多模式电能路由器的制作方法

1.本发明涉及电力电子设备技术领域，具体是一种用于串并联架构的多模式电能路由器。


背景技术：

2.随着可再生能源发电技术的不断发展，大规模分布式发电装置的接入是未来电网的主要特征之一，为平抑分布式发电装置接入带来的电力波动问题，以及实现对电网削峰填谷的功能，电网需要接入以电池和超级电容为代表的储能装置。因此，传统电网正由集中式发电向集中式与分布式并存的发电方式转变，而电能正由单向流动向多向流动的方式转变。为满足能源互联网发展需要，基于电力电子技术与信息技术的电能路由器，允许同时存在多种不同电压等级交流和直流的变换形式，不但可以为分布式发电装置、储能装置和不同类型负荷提供灵活多样的即插即用电气接口，还可以实现能量的多向流动和对功率流的主动控制。其中，以低压(380v)配电网为背景的电能路由器称为区域电能路由器。
3.然而，受传统电能路由器拓扑架构的限制，传统串联型区域电能路由器只能通过输出级dc/ac变换器为交流负荷提供有功和无功功率，使得传统串联型区域电能路由器主要存在两个问题：(1)带负荷能力限制在100％功率范围内(即能量传输能力有限)；(2)无功功率无法实现柔性运行与控制(即只能刚性运行)，在一定程度上限制了区域电能路由器的发展。
4.因此，针对以上现状，迫切需要提供一种用于串并联架构的多模式电能路由器，以克服当前实际应用中的不足。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于串并联架构的多模式电能路由器，旨在解决上述背景技术中的问题。
6.本发明是这样实现的，一种用于串并联架构的多模式电能路由器，包括：低压配电网、串联变换器(sc)、并联变换器(pc)、直流母线、交流母线、分布式电源与储能装置、负荷终端以及变压器，所述直流母线与分布式电源与储能装置连接，所述负荷终端包括交流负荷和直流负荷；
7.所述用于串并联架构的多模式电能路由器的多模式包括电网供电模式、联合供电模式、孤岛供电模式、并联变换器传输无功功率模式以及并联变换器联合传输无功功率模式。
8.作为本发明进一步的方案：所述电网供电模式的控制过程包括：负荷有功功率pl≤100％pr时，由低压配电网向负荷终端提供全部的有功功率，其有功功率关系为ps＝p
l
；
9.其中pr为额定有功功率；ps为电网输入的有功功率。
10.作为本发明进一步的方案：所述联合供电模式的控制过程包括：由直流母线和低压配电网通过串联变换器和并联变换器联合向负荷终端供电，联合供电模式可由低压配电
网向负荷终端传输ps＜100％p
l
，由直流母线向负荷终端提供p
par
＜100％p
l
，实现有功功率柔性运行，并且实现能量传输大于100％的转换机制，其有功功率关系为p
l
＝ps+p
par
＝k
p
p
l
+(1-k
p
)p
l
；
11.其中p
par
为并联变换器(pc)传输的有功功率，k
p
为有功自由度系数。
12.作为本发明进一步的方案：所述孤岛供电模式的控制过程包括：当p
l
≤100％pr时，由直流母线通过串并联变换器和并联变换器向负荷终端提供全部的有功功率，由直流母线向负荷终端提供p
par
＜100％p
l
，并联变换器(pc)补偿负荷全部的无功功率。
13.作为本发明进一步的方案：所述并联变换器传输无功功率模式的控制过程包括：当q
l
≤100％qr时，由并联变换器向负荷终端传输全部的无功功率，其无功功率关系为q
par
＝q
l
；
14.其中q
l
为负荷无功功率；qr为负荷额定功率；q
par
为并联变换器(pc)传输的无功功率。
15.作为本发明进一步的方案：所述并联变换器联合传输无功功率模式的控制过程包括：当向负荷终端提供大于100％的负荷无功功率时，串联变换器和并联变换器按照预定配比关系柔性补偿负荷无功功率，其补偿范围分别为0-20％和0-100％。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果：
17.本发明增加了一条能量传输通道，实现了传统意义上的路由器大于100％能量传输的运行目标，突破无功功率刚性运行界限；根据交流电网电压波动、直流母线储能和负荷容量等条件，路由器能量运行模式可分为：
①
电网供电模式；
②
联合供电模式(可提供大于100％的负荷有功功率)；
③
孤岛供电模式；
④
并联变换器传输无功功率模式；
⑤
串并联变换器联合传输无功功率模式(可提供大于100％的负荷无功功率)；
18.本发明从有功功率和无功功率角度出发，研究了新型串并联电能路由器的多模式运行机理，实现了能量大于100％的传输目标和突破了无功功率只能刚性运行的界限，赋予了路由器的高效发展。
附图说明
19.图1为本发明实施例的结构示意图。
20.图2为本发明实施例中电网供电模式能量运行机理与转换机制示意图。
21.图3为本发明实施例中联合供电模式能量运行机理与转换机制示意图。
22.图4为本发明实施例中孤岛供电模式能量转换机理与转换机制示意图。
23.图5为本发明实施例中并联变换器传输无功功率模式示意图。
24.图6为本发明实施例中并联变换器联合传输无功功率模式示意图。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
26.请参阅图1-图6，本发明实施例提供的一种用于串并联架构的多模式电能路由器，所述用于串并联架构的多模式电能路由器包括：
27.低压配电网、串联变换器(sc)、并联变换器(pc)、直流母线、交流母线、分布式电源与储能装置、负荷终端以及变压器，所述直流母线与分布式电源与储能装置连接，所述负荷终端包括交流负荷和直流负荷；
28.所述用于串并联架构的多模式电能路由器的多模式包括电网供电模式、联合供电模式、孤岛供电模式、并联变换器传输无功功率模式以及并联变换器联合传输无功功率模式；其核心部分也就是统一电能路由器组成，部分由串联变换器、并联变换器、串联变压器和直流母线电容构成，串联变换器和并联变换器以背靠背形式连接，分别位于网侧和负载侧，直流母线采用分裂电容将系统中线与正负两组电容的中点连接；
29.串联变换器的功能在于其容量与电网电压的波动有关，最大不超过系统容量的20％；控制电网电流，其幅值大小等于负载基波有功电流幅值，保证电网电流与电网电压同频同相，实现网侧单位功率因数，同时具有较低的电流thd，因此，串联变换器只处理有功功率；控制直流母线电压，使其稳定在一定水平；补偿电网电压的波动、畸变和不平衡，当电网电压波动时，与并联变换器协同工作，为负载提供不足或吸收主路上多余的能量，从而保证网侧与负载侧的功率平衡；
30.并联变换器的功能在于其容量与电网电压的波动以及负载的无功和谐波电流有关；控制负载电压为平衡、可调且无畸变的三相正弦电压；由于变压器可承受的电压极值有限，因此并联变换器需要保证负载电压与电网电压同频同相，同时还要保证较低的电压thd；为负载提供全部的无功和谐波电流；当电网电压波动时，与串联变换器协同工作，为负载提供不足或吸收主路上多余的能量；
31.串联变压器与电网连接侧定义为一次侧，与串联变换器连接侧定义为二次侧，变压器匝比为n＝n1∶n2＝1∶5；复现串联变换器的输出电流到网侧；补偿电网电压的波动和畸变部分；起到电气隔离的作用；
32.所述用于串并联架构的多模式电能路由器还包括：
33.滤波器ls和cs用于滤除电网中的高次谐波；l
serabc
用于滤除串联变换器中开关频率及附近谐波；l
parabc
和c
parabc
用于滤除并联变换器中开关频率及附近谐波；
34.正负直流母线电容c
dc+
作为两变换器连接的纽带，参与两变换器之间的能量传递；吸收或释放系统的暂态能量；支撑并联变换器的输出电压；缓冲负载的无功功率；为负载侧的不平衡电流提供通路；
35.可控硅s
abc
位于网侧输入端，在电网电压正负半周分别导通，防止电网短路或故障时并联变换器的电流倒灌到电网中，从而保证upqc(统一电能质量调节器)的安全运行；
36.所述电网供电模式的控制过程包括：负荷有功功率pl≤100％pr时，由低压配电网向负荷终端提供全部的有功功率，其有功功率关系为ps＝p
l
；
37.其中pr为额定有功功率；ps为电网输入的有功功率；
38.所述联合供电模式的控制过程包括：由直流母线和低压配电网通过串联变换器和并联变换器联合向负荷终端供电，联合供电模式可由低压配电网向负荷终端传输ps＜100％p
l
，由直流母线向负荷终端提供p
par
＜100％p
l
，实现有功功率柔性运行，并且实现能量传输大于100％的转换机制，其有功功率关系为p
l
＝ps+p
par
＝k
p
p
l
+(1-k
p
)p
l
；
39.其中p
par
为并联变换器(pc)传输的有功功率，k
p
为有功自由度系数；
40.所述孤岛供电模式的控制过程包括：当p
l
≤100％pr时，由直流母线通过串并联变换器和并联变换器向负荷终端提供全部的有功功率，由直流母线向负荷终端提供p
par
＜100％p
l
，并联变换器(pc)补偿负荷全部的无功功率
41.所述并联变换器传输无功功率模式的控制过程包括：当q
l
≤100％qr时，由并联变换器向负荷终端传输全部的无功功率，其无功功率关系为q
par
＝q
l
；
42.其中q
l
为负荷无功功率；qr为负荷额定功率；q
par
为并联变换器(pc)传输的无功功率；
43.所述并联变换器联合传输无功功率模式的控制过程包括：当向负荷终端提供大于100％的负荷无功功率时，串联变换器和并联变换器按照预定配比关系柔性补偿负荷无功功率，其补偿范围分别为0-20％和0-100％。
44.针对路由器多种形式能量汇集的特点，交流电网输入电流应根据直流母线储能和实际负荷容量情况进行适时适度的调节，从而实现能量的高效经济运行。通过串联变换器对交流电网输入电流幅值的控制，进而实现对电网输入侧有功功率的控制。同时，由于并联变换器被控制为正弦电压源，当电网输入有功功率发生变化时，并联变换器将从直流母线自动获取能量以补偿有功功率的变化，从而实现整个系统的功率平衡。可见，通过调节交流电网输入电流的幅值，负荷有功功率既可以由交流电网提供，也可以由直流母线提供。
45.本发明具体实施方法为：apdfc(有功功率自由度控制)由mca(有功电流配比补偿算法)和dfc(自由度控制环节)构成，交流电网电压u
sabc
、交流母线电压u
labc
和电流i
labc
经sogi+fpsc(二阶广义积分器+基波正序分量计算)后分别提取出αβ坐标系下的基波正序分量和经park变换后得到各个分量在d轴上的表达式。忽略损耗，网侧基波正序有功功率与负荷基波正序有功功率相等，根据瞬时功率理论可得：
[0046][0047]
整理式(1)可得mca表达式为：
[0048][0049]
由式(2)可知，在mca控制下交流电网只为负荷提供基波正序有功电流，电网电流参考随负荷基波正序有功功率的变化而调节网侧输入电流的大小，同时电网输入电流还具有对电网电压us的自适应性。
[0050]
经dfc后，输入电流参考增加了一个自由度k
ap
，可表示为：
[0051][0052]
自由度k
ap
变化时，交流电网输入的有功功率随之改变，并联变换器为确保输出交流母线电压稳定，将自动补偿由k
ap
变化引起的功率变化，从而实现对直流母线有功功率的调节。因此，可以根据电网不同时段电价、直流母线储能情况和实际负荷容量，利用k
ap
控制spa-repr交流和直流能量的转换与配置关系。由于交流输入配电的限制，k
ap
最大值为1，因此其取值范围为[0,1]，结合实际负荷容量与k
ap
的取值，可得不同条件下路由器有功功率运行模式。
[0053]
在apdfc控制下，串联变换器只传输有功功率，而负荷所需的无功功率全部由并联变换器提供，因此若不采取有效的控制方法，spa-repr(串并联架构区域电能路由器)只能刚性传输100％的无功功率，同样无法实现无功功率的柔性运行与控制。通过控制输出交流母线电压相位角，可以自由调节串联变换器所补偿无功功率的大小，使其同时具有传输有功和无功功率的双重能力，能够为负荷提供最大20％的无功功率(与变压器容量和所能承受的电压有关，本发明暂定20％)。同时，并联变换器具有补偿100％负荷无功功率的能力，因而spa-repr能够在不增加系统本身容量的前提下，最大传输120％的负荷无功功率。
[0054]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，包括：低压配电网、串联变换器、并联变换器、直流母线、交流母线、分布式电源与储能装置、负荷终端以及变压器，所述直流母线与分布式电源与储能装置连接，所述负荷终端包括交流负荷和直流负荷；所述用于串并联架构的多模式电能路由器的多模式包括电网供电模式、联合供电模式、孤岛供电模式、并联变换器传输无功功率模式以及并联变换器联合传输无功功率模式。2.根据权利要求1所述的用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，所述电网供电模式的控制过程包括：负荷有功功率p
l
≤100％p
r
时，由低压配电网向负荷终端提供全部的有功功率，其有功功率关系为p
s
＝p
l
；其中p
r
为额定有功功率；p
s
为电网输入的有功功率。3.根据权利要求1所述的用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，所述联合供电模式的控制过程包括：由直流母线和低压配电网通过串联变换器和并联变换器联合向负荷终端供电，联合供电模式可由低压配电网向负荷终端传输p
s
<100％p
l
，由直流母线向负荷终端提供p
par
<100％p
l
，实现有功功率柔性运行，并且实现能量传输大于100％的转换机制，其有功功率关系为p
l
＝p
s
+p
par
＝k
p
p
l
+(1-k
p
)p
l
；其中p
par
为并联变换器传输的有功功率，k
p
为有功自由度系数。4.根据权利要求1所述的用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，所述孤岛供电模式的控制过程包括：当p
l
≤100％p
r
时，由直流母线通过串并联变换器和并联变换器向负荷终端提供全部的有功功率，由直流母线向负荷终端提供p
par
<100％p
l
，并联变换器补偿负荷全部的无功功率。5.根据权利要求1所述的用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，所述并联变换器传输无功功率模式的控制过程包括：当q
l
≤100％q
r
时，由并联变换器向负荷终端传输全部的无功功率，其无功功率关系为q
par
＝q
l
；其中q
l
为负荷无功功率；q
r
为负荷额定功率；q
par
为并联变换器传输的无功功率。6.根据权利要求1所述的用于串并联架构的多模式电能路由器，其特征在于，所述并联变换器联合传输无功功率模式的控制过程包括：当向负荷终端提供大于100％的负荷无功功率时，串联变换器和并联变换器按照预定配比关系柔性补偿负荷无功功率，其补偿范围分别为0-20％和0-100％。

技术总结
本发明适用于电力电子设备技术领域，提供了一种用于串并联架构的多模式电能路由器，包括：低压配电网、串联变换器、并联变换器、直流母线、交流母线、分布式电源与储能装置、负荷终端以及变压器，所述直流母线与分布式电源与储能装置连接，所述负荷终端包括交流负荷和直流负荷；所述用于串并联架构的多模式电能路由器的多模式包括电网供电模式、联合供电模式、孤岛供电模式、并联变换器传输无功功率模式以及并联变换器联合传输无功功率模式，本发明从有功功率和无功功率角度出发，研究了新型串并联电能路由器的多模式运行机理，实现了能量大于100%的传输目标和突破了无功功率只能刚性运行的界限。行的界限。行的界限。


技术研发人员：常贺静 赵晓君 白蓬硕 章宇锋 王晓寰 张纯江
受保护的技术使用者：常贺静
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/15