一種適用於低壓配網能源路由器拓撲的製作方法

2023-05-31 08:27:31 1

本發明屬於電力電子及電力系統領域，涉及一種基於能源路由器架構的配網低電壓治理電路拓撲適用於低壓配網能源路由器拓撲及控制策略。

背景技術：

目前，電力線路末端低電壓治理方案主要包括：在電力線路末端安裝變壓器、對變壓器分支處的線路進行改造、提高配電網低電壓線路一段母線的總電壓、採用直配變降低電壓降、在線路末端安裝風光電互補的分布式發電系統、在線路末端串聯低電壓的自動補償裝置等。

不論上述何種方案均還存在種種不足，如採用變壓器提升末端電壓可以有效的結局線路末端低電壓問題，但前期投入大、經濟性較差、在變壓器全壽命周期內不一定能回收投資，且需根據負荷特性選擇使用。提高配電網電壓線路一段母線的總電壓可以有效地緩解用電壓力，但僅適用於負荷波動較小、負荷特性明顯的用電負荷，且調整範圍有限，電氣設備長期處於電壓上限運行也會降低使用壽命。風光電分布式系統不受地域限制可緩解用電緊張狀況，但會使配電網潮流複雜化、影響單向保護的靈敏性和可靠性，同時也會使運行檢修帶來困難。串聯電壓自動補償裝置可為電網提供無功缺額更為直接地抬高末端電壓，但會產生諧波分量、帶來噪音，且維護費用大。

未來配電網與傳統配電網的本質區別在於其主動運行方式和設備控制技術的變革。借力電力路由器的發展，通過能源路由器能夠有效調控潮流，提升電壓質量。

技術實現要素：

本發明涉及一種提高系統末端電壓的含新能源接入、儲能裝置的電力能源路由器拓撲，在配網末端接入該能源路由器通過串、並聯補償方式為系統提供有功以及無功的支撐，從而提高了系統末端電壓，有效地改善配網末端的低電壓問題。

本發明是採用如下技術方案實現：

一種適用於低壓配網能源路由器拓撲，其特徵在於：包括：多種分布式發電接口電氣單元、儲能系統接口電氣單元和智能化電力電子接口電氣單元；交流電網通過智能化電力電子接口電氣單元並經過電力路由器接入直流母線；光伏電池板通過多種分布式發電接口電氣單元並經過電力路由器連接至直流母線；儲能裝置通過儲能系統接口電氣單元並經過電力路由器連接至直流母線。

在上述的一種適用於低壓配網能源路由器拓撲，所述電力路由器包括PWM全橋整流部分PC1、Buck功率變換器PC2、DC-DC變換器PC3、DC-AC-DC隔離變換部分以及DC-AC逆變部分；

所述智能化電力電子接口電氣單元通過PWM全橋整流部分PC1經過DC-AC-DC隔離變換部分最後通過DC-AC逆變部分輸出；

所述多種分布式發電接口電氣單元通過Buck功率變換器PC2經過DC-AC-DC隔離變換部分最後通過DC-AC逆變部分輸出；

所述儲能系統接口電氣單元通過DC-DC變換器PC3經過DC-AC-DC隔離變換輸出。

在上述的一種適用於低壓配網能源路由器拓撲，所述DC-AC-DC隔離變換部分包括三個DC-AC-DC隔離變換器，分別與智能化電力電子接口電氣單元、多種分布式發電接口電氣單元以及儲能系統接口電氣單元配接；所述DC-AC逆變部分包括兩個DC-AC逆變器，分別與智能化電力電子接口電氣單元以及多種分布式發電接口電氣單元配接。

在上述的一種適用於低壓配網能源路由器拓撲，電力路由器三種輸出拓撲連接方式：

將三相DC-AC-DC隔離變換器左側埠每相與直流母線連接，右側埠每相分別與交流電網相連；

將三相DC-AC-DC隔離變換器左側埠每相與直流母線連接，右側埠作為不間斷供電埠；

將單相DC-AC-DC隔離變換器左側埠每相與直流母線連接，右側埠作為直流供電埠引出。

在上述的一種適用於低壓配網能源路由器拓撲，交流電網經圖2三相PWM全橋電路PC1整流後接入路由器的直流匯集母線，PC1可實現功率在電網和路由器之間的雙向流動；在路由器的直流母線側，光伏電池板通過Buck功率變換器(PC2)連接至直流母線，且PC2是單相功率變換器；儲能裝置可蓄能或供能，DC-DC變換器PC3是雙向功率變換器。

本發明通過在配網末端引入含新能源以及儲能裝置串、並聯補償，為系統提供有功、無功支撐，補償線路上的有功損耗，提高配網末端電壓，有效地緩解了需求側電壓波動大的問題，改善了供電線路末端的電能質量。

附圖說明

圖1為含交直流混合系統的能源路由器典型結構。

圖2 AC-DC三相整流部分電路拓撲。

圖3 DC-AC逆變部分電路拓撲。

圖4單相DC-DC變換部分電路拓撲。

圖5三相獨立變換部分電路拓撲。

圖6單相獨立變換部分電路拓撲。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施對本發明作進一步闡述。

該拓撲實際上是整合多種分布式發電、儲能系統和智能化電力電子接口的電氣單元。它從交流配電網引出，利用高頻變壓器實現模塊化的變壓功能；設置直流母線，削弱新能源間歇性出力對微網的衝擊，提高有功功率接納能力，實現分布式電源的即插即用和能量管理；在輸出端提供交、直流供電接口，實現電能的路由分配並對網側電壓質量起到改善的作用。

電力路由器的結構可分為圖2 PWM全橋整流部分、圖4 DC-DC變換部分、圖5 DC-AC-DC隔離變換部分、圖3DC-AC逆變部分和新能源接入部分四層。並聯接入電網的全橋整流部分和DC-AC-DC隔離變化部分可以採用級聯電路的方式提高電路的額定電壓和功率。電力路由器還提供兩種智能化電氣埠，第一種埠經過DC-AC逆變電路產生50Hz工頻交流電提供不間斷供電電源(UPS)；第二種埠直接由DC-AC-DC隔離變換部分引出，為負載提供直流電，實現電力路由器的多能量路由功能。

電力路由器將能量匯聚於直流母線的方式主要包含PC1、PC2、PC3三種方式。交流電網經圖2三相PWM全橋電路PC1整流後接入路由器的直流匯集母線，PC1可實現功率在電網和路由器之間的雙向流動。在路由器的直流母線側，光伏電池板通過功率變換器(PC2)連接至直流母線，且PC2是單相功率變換器；儲能裝置可蓄能或供能，所以這裡的DC-DC變換器PC3是雙向功率變換器。

圖1中PC1、PC2、PC3拓撲連接方式：

①交流電網通過圖2AC-DC三相全橋整流部分接入直流母線；

②光伏電池板通過圖4DC-DC變換部分連接至直流母線；

③儲能裝置通過圖4DC-DC變換部分連接至直流母線。

電力路由器三種輸出拓撲連接方式：

①將圖5三相獨立變換部分左側埠每相與直流母線連接，右側埠每相分別與交流電網相連；

②將圖5三相獨立變換部分左側埠每相與直流母線連接，右側埠作為不間斷供電埠；

③將圖6單相獨立變換部分左側埠每相與直流母線連接，右側埠作為直流供電埠引出。

直流母線作為路由器的能量匯集端，充分發揮其上層模塊的優勢，通過變流器與儲能單元之間的配合有效抑制分布式電源間歇性輸出對接入電網的電能質量衝擊，同時在輸出側提供供電埠有效利用分布式發電對電網和負載進行有功支撐。如圖1，能量流在電力路由器中如紅色虛線所示，直流母線匯集新能源埠和儲能埠的有功功率並在負荷高峰期或夜間經對網側電壓進行串聯電阻性壓降補償，同時直流母線調配新能源發電和儲能裝置之間的有功功率交換，在負荷較低或白天光照充足時對剩餘有功進行存儲。變流器能實現交流側電網和電力路由器之間的無功能量交換，從而經過直流母線提供供電埠的無功和網側電抗性壓降的補償需求。

在DC-AC-DC隔離變換部分，由於直接將逆變器三相併聯無法運行，故採用高頻變壓器進行隔離，達到逆變器三相併聯運行的目的。同時縮小電力設備空間，實現路由器的模塊化、小型化，提高供電的安全性。如圖1所示，隔離變換部分先利用全橋逆變電路實現DC-AC變換，以達到逆變交流電流在變壓器中產生感應磁場的目的。並聯電容起到穩定電壓、緩衝電路的作用。最後，在高頻變壓器右端進行AC-DC全橋變換，並安裝整流濾波電容，用於濾除脈動直流電壓中的交流成分。

儲能部分在系統低負荷運行時，可從電網吸收有功，在用電高峰期輸出有功，起到「削峰填谷」的作用，提升電能質量以及經濟效益。同時，也可通過能源路由器的串聯補償部分，對線路上的有功壓降進行補償，有效改善配網末端電壓質量。

直流母線電壓可由PC1、PC2或PC3進行控制，這裡主要討論PC2和PC3的作用。母線電壓的控制取決於功率變換器是否作為母線電壓控制變換器(BVCC)，或作為母線電流控制器(BCCC)。針對光伏電池和儲能電池，我們可以採用最大功率點追蹤控制以及恆流充電控制。因此，系統的工作模式可以根據工作原理和電池的充電狀態分為4種類型，如表1中列出。

表1能源路由器PC2、PC3工作模式

此外，一些特定的工作情況如下所述：

(1)當蓄電池迴路開路，電量耗盡或者是已經充滿電(充電時)，這就相當於一個零電流源。光伏電池板向負載提供全部的電能，PC2工作於BVCC狀態，這種情況屬於模式1。

(2)當光伏電池板開路時或者是無光照時，這就相當於一個零電流源。蓄電池向負載提供所有的電能，PC3工作於BVCC狀態，這種情況可歸類於模式4。

應當理解的是，本說明書未詳細闡述的部分均屬於現有技術，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，並不能因此而認為是對本發明專利保護範圍的限制，本領域的普通技術人員在本發明的啟示下，在不脫離本發明權利要求所保護的範圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發明的保護範圍之內，本發明的請求保護範圍應以所附權利要求為準。