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CN106655229A - 一种适用于低压配网能源路由器拓扑 - Google Patents

一种适用于低压配网能源路由器拓扑 Download PDF

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CN106655229A CN201610969394.0A CN201610969394A CN106655229A CN 106655229 A CN106655229 A CN 106655229A CN 201610969394 A CN201610969394 A CN 201610969394A CN 106655229 A CN106655229 A CN 106655229A
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朱铃
朱铃一
曾梦迪
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Abstract

本发明公开了一种适用于低压配网能源路由器拓扑。该拓扑实际上是整合多种分布式发电、储能系统和智能化电力电子接口的电气单元。它从交流配电网引出，利用高频变压器实现模块化的变压功能；设置直流母线，削弱新能源间歇性出力对微网的冲击，提高有功功率接纳能力，实现分布式电源的即插即用和能量管理；在输出端提供交、直流供电接口，实现电能的路由分配并对网侧电压质量起到改善的作用。具有重要的工程应用价值。

Description

一种适用于低压配网能源路由器拓扑
技术领域
本发明属于电力电子及电力系统领域，涉及一种基于能源路由器架构的配网低电压治理电路拓扑适用于低压配网能源路由器拓扑及控制策略。
背景技术
目前，电力线路末端低电压治理方案主要包括：在电力线路末端安装变压器、对变压器分支处的线路进行改造、提高配电网低电压线路一段母线的总电压、采用直配变降低电压降、在线路末端安装风光电互补的分布式发电系统、在线路末端串联低电压的自动补偿装置等。
不论上述何种方案均还存在种种不足，如采用变压器提升末端电压可以有效的结局线路末端低电压问题，但前期投入大、经济性较差、在变压器全寿命周期内不一定能回收投资，且需根据负荷特性选择使用。提高配电网电压线路一段母线的总电压可以有效地缓解用电压力，但仅适用于负荷波动较小、负荷特性明显的用电负荷，且调整范围有限，电气设备长期处于电压上限运行也会降低使用寿命。风光电分布式系统不受地域限制可缓解用电紧张状况，但会使配电网潮流复杂化、影响单向保护的灵敏性和可靠性，同时也会使运行检修带来困难。串联电压自动补偿装置可为电网提供无功缺额更为直接地抬高末端电压，但会产生谐波分量、带来噪音，且维护费用大。
未来配电网与传统配电网的本质区别在于其主动运行方式和设备控制技术的变革。借力电力路由器的发展，通过能源路由器能够有效调控潮流，提升电压质量。
发明内容
本发明涉及一种提高系统末端电压的含新能源接入、储能装置的电力能源路由器拓扑，在配网末端接入该能源路由器通过串、并联补偿方式为系统提供有功以及无功的支撑，从而提高了系统末端电压，有效地改善配网末端的低电压问题。
本发明是采用如下技术方案实现：
一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：包括：多种分布式发电接口电气单元、储能系统接口电气单元和智能化电力电子接口电气单元；交流电网通过智能化电力电子接口电气单元并经过电力路由器接入直流母线；光伏电池板通过多种分布式发电接口电气单元并经过电力路由器连接至直流母线；储能装置通过储能系统接口电气单元并经过电力路由器连接至直流母线。
在上述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，所述电力路由器包括PWM全桥整流部分PC1、Buck功率变换器PC2、DC-DC变换器PC3、DC-AC-DC隔离变换部分以及DC-AC逆变部分；
所述智能化电力电子接口电气单元通过PWM全桥整流部分PC1经过DC-AC-DC隔离变换部分最后通过DC-AC逆变部分输出；
所述多种分布式发电接口电气单元通过Buck功率变换器PC2经过DC-AC-DC隔离变换部分最后通过DC-AC逆变部分输出；
所述储能系统接口电气单元通过DC-DC变换器PC3经过DC-AC-DC隔离变换输出。
在上述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，所述DC-AC-DC隔离变换部分包括三个DC-AC-DC隔离变换器，分别与智能化电力电子接口电气单元、多种分布式发电接口电气单元以及储能系统接口电气单元配接；所述DC-AC逆变部分包括两个DC-AC逆变器，分别与智能化电力电子接口电气单元以及多种分布式发电接口电气单元配接。
在上述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，电力路由器三种输出拓扑连接方式：
将三相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口每相分别与交流电网相连；
将三相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为不间断供电端口；
将单相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为直流供电端口引出。
在上述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，交流电网经图2三相PWM全桥电路PC1整流后接入路由器的直流汇集母线，PC1可实现功率在电网和路由器之间的双向流动；在路由器的直流母线侧，光伏电池板通过Buck功率变换器(PC2)连接至直流母线，且PC2是单相功率变换器；储能装置可蓄能或供能，DC-DC变换器PC3是双向功率变换器。
本发明通过在配网末端引入含新能源以及储能装置串、并联补偿，为系统提供有功、无功支撑，补偿线路上的有功损耗，提高配网末端电压，有效地缓解了需求侧电压波动大的问题，改善了供电线路末端的电能质量。
附图说明
图1为含交直流混合系统的能源路由器典型结构。
图2 AC-DC三相整流部分电路拓扑。
图3 DC-AC逆变部分电路拓扑。
图4单相DC-DC变换部分电路拓扑。
图5三相独立变换部分电路拓扑。
图6单相独立变换部分电路拓扑。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步阐述。
该拓扑实际上是整合多种分布式发电、储能系统和智能化电力电子接口的电气单元。它从交流配电网引出，利用高频变压器实现模块化的变压功能；设置直流母线，削弱新能源间歇性出力对微网的冲击，提高有功功率接纳能力，实现分布式电源的即插即用和能量管理；在输出端提供交、直流供电接口，实现电能的路由分配并对网侧电压质量起到改善的作用。
电力路由器的结构可分为图2 PWM全桥整流部分、图4 DC-DC变换部分、图5 DC-AC-DC隔离变换部分、图3DC-AC逆变部分和新能源接入部分四层。并联接入电网的全桥整流部分和DC-AC-DC隔离变化部分可以采用级联电路的方式提高电路的额定电压和功率。电力路由器还提供两种智能化电气端口，第一种端口经过DC-AC逆变电路产生50Hz工频交流电提供不间断供电电源(UPS)；第二种端口直接由DC-AC-DC隔离变换部分引出，为负载提供直流电，实现电力路由器的多能量路由功能。
电力路由器将能量汇聚于直流母线的方式主要包含PC1、PC2、PC3三种方式。交流电网经图2三相PWM全桥电路PC1整流后接入路由器的直流汇集母线，PC1可实现功率在电网和路由器之间的双向流动。在路由器的直流母线侧，光伏电池板通过功率变换器(PC2)连接至直流母线，且PC2是单相功率变换器；储能装置可蓄能或供能，所以这里的DC-DC变换器PC3是双向功率变换器。
图1中PC1、PC2、PC3拓扑连接方式：
①交流电网通过图2AC-DC三相全桥整流部分接入直流母线；
②光伏电池板通过图4DC-DC变换部分连接至直流母线；
③储能装置通过图4DC-DC变换部分连接至直流母线。
电力路由器三种输出拓扑连接方式：
①将图5三相独立变换部分左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口每相分别与交流电网相连；
②将图5三相独立变换部分左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为不间断供电端口；
③将图6单相独立变换部分左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为直流供电端口引出。
直流母线作为路由器的能量汇集端，充分发挥其上层模块的优势，通过变流器与储能单元之间的配合有效抑制分布式电源间歇性输出对接入电网的电能质量冲击，同时在输出侧提供供电端口有效利用分布式发电对电网和负载进行有功支撑。如图1，能量流在电力路由器中如红色虚线所示，直流母线汇集新能源端口和储能端口的有功功率并在负荷高峰期或夜间经对网侧电压进行串联电阻性压降补偿，同时直流母线调配新能源发电和储能装置之间的有功功率交换，在负荷较低或白天光照充足时对剩余有功进行存储。变流器能实现交流侧电网和电力路由器之间的无功能量交换，从而经过直流母线提供供电端口的无功和网侧电抗性压降的补偿需求。
在DC-AC-DC隔离变换部分，由于直接将逆变器三相并联无法运行，故采用高频变压器进行隔离，达到逆变器三相并联运行的目的。同时缩小电力设备空间，实现路由器的模块化、小型化，提高供电的安全性。如图1所示，隔离变换部分先利用全桥逆变电路实现DC-AC变换，以达到逆变交流电流在变压器中产生感应磁场的目的。并联电容起到稳定电压、缓冲电路的作用。最后，在高频变压器右端进行AC-DC全桥变换，并安装整流滤波电容，用于滤除脉动直流电压中的交流成分。
储能部分在系统低负荷运行时，可从电网吸收有功，在用电高峰期输出有功，起到“削峰填谷”的作用，提升电能质量以及经济效益。同时，也可通过能源路由器的串联补偿部分，对线路上的有功压降进行补偿，有效改善配网末端电压质量。
直流母线电压可由PC1、PC2或PC3进行控制，这里主要讨论PC2和PC3的作用。母线电压的控制取决于功率变换器是否作为母线电压控制变换器(BVCC)，或作为母线电流控制器(BCCC)。针对光伏电池和储能电池，我们可以采用最大功率点追踪控制以及恒流充电控制。因此，系统的工作模式可以根据工作原理和电池的充电状态分为4种类型，如表1中列出。
表1能源路由器PC2、PC3工作模式
此外，一些特定的工作情况如下所述：
(1)当蓄电池回路开路，电量耗尽或者是已经充满电(充电时)，这就相当于一个零电流源。光伏电池板向负载提供全部的电能，PC2工作于BVCC状态，这种情况属于模式1。
(2)当光伏电池板开路时或者是无光照时，这就相当于一个零电流源。蓄电池向负载提供所有的电能，PC3工作于BVCC状态，这种情况可归类于模式4。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：包括：多种分布式发电接口电气单元、储能系统接口电气单元和智能化电力电子接口电气单元；交流电网通过智能化电力电子接口电气单元并经过电力路由器接入直流母线；光伏电池板通过多种分布式发电接口电气单元并经过电力路由器连接至直流母线；储能装置通过储能系统接口电气单元并经过电力路由器连接至直流母线。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：所述电力路由器包括PWM全桥整流部分PC1、Buck功率变换器PC2、DC-DC变换器PC3、DC-AC-DC隔离变换部分以及DC-AC逆变部分；
所述智能化电力电子接口电气单元通过PWM全桥整流部分PC1经过DC-AC-DC隔离变换部分最后通过DC-AC逆变部分输出；
所述多种分布式发电接口电气单元通过Buck功率变换器PC2经过DC-AC-DC隔离变换部分最后通过DC-AC逆变部分输出；
所述储能系统接口电气单元通过DC-DC变换器PC3经过DC-AC-DC隔离变换输出。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：所述DC-AC-DC隔离变换部分包括三个DC-AC-DC隔离变换器，分别与智能化电力电子接口电气单元、多种分布式发电接口电气单元以及储能系统接口电气单元配接；所述DC-AC逆变部分包括两个DC-AC逆变器，分别与智能化电力电子接口电气单元以及多种分布式发电接口电气单元配接。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：电力路由器三种输出拓扑连接方式：
将三相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口每相分别与交流电网相连；
将三相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为不间断供电端口；
将单相DC-AC-DC隔离变换器左侧端口每相与直流母线连接，右侧端口作为直流供电端口引出。
5.根据权利要求1所述的一种适用于低压配网能源路由器拓扑，其特征在于：交流电网经图2三相PWM全桥电路PC1整流后接入路由器的直流汇集母线，PC1可实现功率在电网和路由器之间的双向流动；在路由器的直流母线侧，光伏电池板通过Buck功率变换器（PC2）连接至直流母线，且PC2是单相功率变换器；储能装置可蓄能或供能， DC-DC变换器PC3是双向功率变换器。
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