本實用新型涉及電能技術領域,具體涉及一種電能路由器及微電網結構。
背景技術:
隨著4G技術、數據通信和互聯網業務的發展,通信設備對供電可靠性要求越來越高,用電量也遠超傳統交換、傳輸等通信業務。由于通信核心局耗電量大,為提高供電容量和抗干擾能力,并方便運營單位管理維護,通信電源供配電系統通常采用圖1所示的集中供電方式,在通信核心局中集中設置高低壓變配電室,通過高壓配電柜、電力變壓器將10kV中壓交流電變換到380V/220V低壓交流電,再通過低壓配電柜將電能分配的不同機房樓或同一機房樓不同樓層、區域的電力電池室、配電室給負載供電。
電力電池室電源系統框圖如圖2所示,包括交流配電箱、交流配電屏、直流配電屏、UPS電源、-48V開關電源、336V高壓直流電源、蓄電池組等電源設備,根據不同負載的供電等級和電源需求,給低壓直流、高壓直流、交流通信負載,動力和環境監控系統、建筑照明、消防智能化等建筑負載,空調和通排風系統等其他交流負載供電。
從上面的描述可見,目前通信核心局電源種類包括380V/220V交流,-48V低壓直流和336V高壓直流三種,采用樹干式結構從10kV開始逐級變換、分配電能,380V/220V交流市電和高壓直流開關電源、低壓直流開關電源、蓄電池組、UPS電源等通信電源設備之間為上下游關系,電能從交流市電到通信電源設備再到負載單相流動,不同種類通信電源設備之間不兼容且能量不能交換。通信配電網工作在穩壓模式,提供380/220V交流、-48V直流和336V直流三條電壓母線,功率由負載決定,不能主動控制。根據現有通信核心局供配電系統技術方案描述,可得目前通信核心局配電網拓撲結構如圖3所示,可見這種樹干式多級變換的通信配電網絡結構復雜,電源種類和供電設備繁多、系統復雜。
技術實現要素:
針對現有技術中的缺陷,本實用新型提供一種電能路由器及微電網結構,本實用新型提供的電能路由器具有模塊化,可擴展性高,高壓直流、低壓直流和交流之間能量可交換的優點,并且自帶有三相交流、高壓直流和低壓直流端,適合通信微電網供電應用。
為解決上述技術問題,本實用新型提供以下技術方案:
第一方面,本實用新型提供了一種電能路由器,包括:低壓直流端、三相交流端、高壓直流端和三相支路;其中,每相支路分別包括有一個整橋臂電路,每個整橋臂電路包括有一個上橋臂電路和一個下橋臂電路,上橋臂電路由N個半橋模塊和一個上橋臂電感依次串聯組成,下橋臂電路由一個下橋臂電感和N個半橋模塊依次串聯組成,上橋臂電感與下橋臂電感直接連接且上橋臂電感與下橋臂電感之間的連接點稱為橋臂中點;
其中,每個半橋模塊包括一個半橋結構以及位于直流側的低壓蓄電池組;每個半橋模塊的直流側電壓為U*SM,每個半橋模塊的直流側輸出電壓端為電能路由器的低壓直流端;
其中,每個半橋結構由上下連接的兩個IGBT管組成,當位于上方的IGBT管開通,位于下方的IGBT管關斷時,與該半橋結構對應的半橋模塊的交流端輸出電壓Uab=U*SM;當位于上方的IGBT管關斷,位于下方的IGBT管開通時,與該半橋結構對應的半橋模塊的交流端輸出電壓為Uab=0;每相支路通過控制每個半橋模塊中兩個IGBT管的通斷實現整橋臂輸出電壓Uarm從0~N*U*SM之間階梯變化;所述電能路由器還包括調制變壓器,所述調制變壓器的輸入端與三相的橋臂中點連接,所述調制變壓器的輸出端為所述電能路由器的三相交流端;
三相支路整流橋臂的公共直流側輸出電壓端為電能路由器的高壓直流端。
進一步地,所述半橋模塊的直流側還設置有支撐電容。
進一步地,上橋臂電感與下橋臂電感的電感值相同。
進一步地,所述電能路由器的三相交流端的輸出電壓為:Ucabc=MUdc cosω0t;
其中,Ucabc為電能路由器的三相交流端的輸出電壓,M為所述調制變壓器的調制比,ω0t為所述調制變壓器的調制相位,Udc為每相支路的整橋臂輸出電壓。
進一步地,所述N為6。
進一步地,每個半橋模塊的直流側電壓U*SM為60V。
第二方面,本發明還提供了一種微電網結構,包括:380V/220V交流母線、336V直流母線、-48V直流母線以及至少一個如上面所述的電能路由器;
其中,所述380V/220V交流母線與電能路由器的三相交流端連接,所述336V直流母線與電能路由器的高壓直流端連接,所述-48V直流母線與電能路由器的低壓直流端連接。
進一步地,所述微電網結構還包括:雙向交直流電力電子變換器和雙向直流變換器;
所述雙向交直流電力電子變換器分別與380V/220V交流母線以及336V直流母線連接;
所述雙向直流變換器分別與336V直流母線以及-48V直流母線連接。
進一步地,所述微電網結構還包括:交流市電接入模塊、柴油發電機組模塊、交流負載模塊、高壓直流負載模塊、336V蓄電池組模塊、低壓直流負載模塊和-48V蓄電池組模塊;
所述交流市電接入模塊、所述柴油發電機組模塊、所述交流負載模塊與380V交流母線連接;
所述高壓直流負載模塊和所述336V蓄電池組模塊與336V直流母線連接;
所述低壓直流負載模塊和所述-48V蓄電池組模塊與-48V直流母線連接。
進一步地,所述微電網結構還包括:光伏供電模塊和風力供電模塊,所述光伏供電模塊和風力供電模塊與336V直流母線連接。
由上述技術方案可知,本實用新型提供的電能路由器具有模塊化,可擴展性高,高壓直流、低壓直流和交流之間能量可交換的優點,并且自帶有三相交流、高壓直流和低壓直流端,適合通信微電網供電應用。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例或現有技術中的技術方案,下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹,顯而易見地,下面描述中的附圖是本實用新型的一些實施例,對于本領域普通技術人員來講,在不付出創造性勞動的前提下,還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1是現有技術中通信核心局配電網集中供電方式示意圖;
圖2是現有技術中電力電池室電源系統框圖;
圖3是現有技術中通信核心局配電網拓撲結構;
圖4是本發明一實施例提供的電能路由器的結構示意圖;
圖5是本發明一實施例提供的電能路由器單相等效電路;
圖6是本發明一實施例提供的電能路由器單相等效模型示意圖;
圖7a是本發明一實施例提供的電能路由器交流側控制系統結構示意圖;
圖7b是本發明一實施例提供的電能路由器交流側電流環等效控制框圖;
圖8是本發明一實施例提供的半橋模塊電壓平均控制框圖;
圖9是本發明一實施例提供的半橋模塊電壓平衡控制框圖;
圖10是基于電能路由器組網的微電網結構的結構示意圖;
圖11是基于電能路由器組網的通信核心局微電網結構的功能框圖;
圖12是微電網結構中電能路由器的反饋控制框圖。
具體實施方式
為使本實用新型實施例的目的、技術方案和優點更加清楚,下面將結合本實用新型實施例中的附圖,對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整的描述,顯然,所描述的實施例是本實用新型一部分實施例,而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例,本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都屬于本實用新型保護的范圍。
本實用新型第一個實施例提供了一種電能路由器,參見圖4(以N=6為例)所示的電能路由器結構示意圖,該電能路由器包括:低壓直流端(2)、三相交流端(1)、高壓直流端(3)和三相支路;其中,每相支路分別包括有一個整橋臂電路,每個整橋臂電路包括有一個上橋臂電路和一個下橋臂電路,上橋臂電路由N=個半橋模塊SM和一個上橋臂電感Lr依次串聯組成,下橋臂電路由一個下橋臂電感Lr和N個半橋模塊SM依次串聯組成,上橋臂電感與下橋臂電感直接連接且上橋臂電感與下橋臂電感之間的連接點稱為橋臂中點,如圖中的A、B和C點;
其中,每個半橋模塊SM包括一個半橋結構以及位于直流側的低壓蓄電池組;每個半橋模塊的直流側電壓為U*SM,每個半橋模塊的直流側輸出電壓端為電能路由器的低壓直流端;
其中,每個半橋結構由上下連接的兩個IGBT管(管S1、管S2)組成,當位于上方的管S1開通,位于下方的管S2關斷時,半橋模塊SM串聯在橋臂當中,電流流經直流側蓄電池,此時半橋模塊交流端ab輸出電壓為Uab=U*SM;當位于上方的管S1關斷,位于下方的管S2開通時,半橋模塊SM被旁路,此時半橋模塊交流端輸出電壓為Uab=0;每相支路通過控制每個半橋模塊中兩個IGBT管的通斷實現整橋臂輸出電壓Uarm從0~N*U*SM之間階梯變化;
所述電能路由器還包括調制變壓器,所述調制變壓器的輸入端與三相的橋臂中點連接,所述調制變壓器的輸出端為所述電能路由器的三相交流端;三相支路整流橋臂的公共直流側輸出電壓端為電能路由器的高壓直流端。
參見圖4,半橋模塊交流端輸出的電壓經過橋臂電感Lr濾波后,每個橋臂輸出電壓基波可以等效為一個受控電壓源,通過預設調制方法控制上下橋臂輸出電壓,進而控制三相橋臂中點輸出交流電壓Ucabc=2UcABC,變壓器作用是匹配電平,并且濾除交流側輸出電流諧波。在相同時刻,控制每一相上下兩橋臂串入電路的SM模塊數量為N,則公共高壓直流母線電壓始終保持在Udc=NU*SM。
為滿足通信核心局微電網應用需求,將電能路由器(1)(2)(3)端子分別作為通信核心局微電網380V交流、-48V低壓直流和336V高壓直流母線。考慮到通信用電需求、電路壓降和實際電池電壓,本實施例中令每個橋臂的SM模塊數量N=6,子模塊電壓U*SM=60V,公共直流母線電壓在Udc=NU*SM=360V。采用載波移相調制方法控制電能路由器內部各SM模塊開關工作,設調制變壓器的調制信號調制比為M,相位為ω0t,則交流側輸出電壓基波控制關系如下面公式一所示。通過調節調制比和相位,控制交流端子輸出與市電同步的380V交流,滿足并網和交流側功率控制需求。通過控制SM模塊中管子的開關狀態,調整串入電路的SM模塊的數量,及可實現交流側、子模塊直流側和公共直流側能量的交換。
在一種可選實施方式中,所述半橋模塊的直流側還設置有支撐電容。當實際電路線路較長時,所述支撐電容可以起到支撐電壓的作用,且其相對于電池來說要便宜很多。
在一種可選實施方式中,上橋臂電感與下橋臂電感的電感值相同。
從上面的描述可知,本實用新型提供的電能路由器包含交流380V/220V,-48V低壓直流和336V高壓直流三條母線,可以實現不同母線間電壓變換,提高各種電源、負載兼容性。
從上面的描述可知,本實用新型提供的電能路由器具有模塊化,可擴展性高,高壓直流、低壓直流和交流之間能量可交換的優點,并且自帶有三相交流、高壓直流和低壓直流端,適合通信微電網供電應用。
對于上面實施例提供的基于模塊化多電平變流器MMC電能路由器,下面給出其交流側數學模型及一種具體的控制方法。
MMC電能路由器數序模型主要包括交流輸出模型和直流側模型。根據上述原理闡述,首先忽略變壓器影響,只考慮低壓側輸出電壓UcABC,則MMC電能路由器單相等效電路如圖5所示,圖中Ux(x=a,b,c)為市電三相交流電壓,ix(x=a,b,c)為交流電流,每相橋臂子模塊數目為N=6,三相的上下橋臂輸出電壓分別為Upx(x=a,b,c)和Unx(x=a,b,c),上下橋臂電流分別為ix(x=a,b,c)p和ix(x=a,b,c)n,等效中性點為n。
根據基爾霍夫電壓和電流定律可以分別得到公式二和公式三,公式中R為橋臂電感等效電阻。
ipx-inx=ix 公式三
將公式二和公式三整理,可以得到MMC電能路由器的交流等效模型為
其中橋臂輸出電壓為:
其中,交流模型單相等效電路如圖6所示。
將電能路由器交流等效模型方程組乘以公式六所示變換矩陣,進行同步旋轉坐標變換,即dq變換,并進行拉普拉斯變換后可得同步旋轉坐標下電能路由器等效模型如公式七所示。
根據公式七設計MMC電能路由器交流側控制方法如圖7a所示,控制器設置解耦和前饋環節后簡化控制框圖如圖7b所示,可見有功、無功相互獨立,且被控對象模型相同,因此控制器可以采用相同的結構。其中Gid、Giq分別為d、q軸電流控制器,電能路由器在主動功率控制工作模式時,根據微電網能量調度需求,給定有功和無功電流指令Idref、Iqref,即可實現功率的主動控制;不需要功率主動控制時,反饋路由器交流側輸出電壓后轉化為dq坐標系下的電壓反饋信號Ucd,將其和電壓指令Ucdref進行比較后,采用電壓控制器Gud轉化為電流控制指令,即可達到穩定交流母線電壓的控制目的。
對于上面實施例提供的基于模塊化多電平變流器MMC電能路由器,下面給出其直流側數學模型及一種具體的控制方法。
MMC電能路由器工作時,同一相上下兩個橋臂串入電路的子模塊數量固定,公共直流母線電壓衡為Udc=NU*SM,只要控制子模塊電壓在設定值,公共直流側電壓也會維持在設定值,因此路由器直流側控制設計為代表直流側總體電壓的子模塊電壓平均控制和不同子模塊電壓的平衡控制。
子模塊電壓平均控制框圖如圖8所示。控制系統包括電壓控制外環和電流控制內環,其中U*SM為子模塊電壓的設定值,為某一相上下橋臂子模塊電壓的平均值。由于子模塊電壓的平均值與流經同一相上下兩橋臂的環流大小有直接關系,環流定義為izx=1/2(ipx+inx),x=a,b,c,將子模塊電壓的平均值與設定電壓的誤差經過一個PI控制器GPI(s)輸出得到環流指令i*zx,與環流實際值izx作差,其誤差輸入電流內環比例控制器GP1(s),UAx為疊加到每個子模塊上面的電壓平均控制指令。G1av(s)和G2av(s)分別為電流內環和電壓外環系統傳遞函數,根據環流回路電壓方程、MMC電能路由器輸出電壓關系以及能量守恒可以推到得到傳遞函數表達式如公式八和公式九所示,其中N=6。根據閉環控制框圖設計PI和比例控制器,使子模塊平均電壓維持在標定值60V,即可將作為高壓直流輸出端子的公共直流母線電壓維持在360V,滿足高壓直流通信負載供電需求;根據功率輸出要求,微調參考電壓U*SM,即可實現高壓直流側能量的主動控制功能,如高壓直流側蓄電池組充放電、交流市電斷電時直流側逆變供電等。
子模塊電壓平衡控制框圖如圖9所示,USMj,j=1~6為某橋臂內各子模塊直流側電壓,GP2(s)為比例平衡控制器,UBj為輸入到每個子模塊的平衡電壓控制信號,G3in(s)為平衡控制環節的傳遞函數,根據子模塊交直流側功率平可以推到其表達式如公式十所示。
子模塊電壓平衡控制和子模塊電壓平均控制相對獨立,滿足疊加原理,反饋子模塊電壓與電壓設定值比較的的誤差,經過比例控制器調節后,產生平衡電壓控制信號,疊加到電壓平均控制指令,從而實現子模塊電壓平衡控制目的。控制公共直流母線電壓保持在標定值的情況下,子模塊電壓平衡即可保證子模塊電壓的穩定,滿足低壓直流通信負載供電需求。正常交流市電供電情況下,子模塊蓄電池組處于并聯浮充狀態,負載能量主要由市電提供,蓄電池組一方面作為直流側濾波器,保證直流供電質量,另一方面,在市電波動或閃變時,通過路由器逆變工作補償交流側無功和諧波,從而穩定交流側電壓,提高供電質量;市電斷電時,直流側蓄電池組保證持續供電,并且通過路由器逆變工作,可以將直流能量轉換為交流能量,給交流負載供電,保證交流側供電穩定。
本實用新型另一實施例提供了一種微電網結構,參見圖10,該微電網結構包括:380V/220V交流母線、336V直流母線、-48V直流母線以及至少一個如上面實施例所述的電能路由器;
其中,所述380V/220V交流母線與電能路由器的三相交流端連接,所述336V直流母線與電能路由器的高壓直流端連接,所述-48V直流母線與電能路由器的低壓直流端連接。
在一種可選實施方式中,所述微電網結構還包括:雙向交直流電力電子變換器和雙向直流變換器;
所述雙向交直流電力電子變換器分別與380V/220V交流母線以及336V直流母線連接;
所述雙向直流變換器分別與336V直流母線以及-48V直流母線連接。
在一種可選實施方式中,所述微電網結構還包括:交流市電接入模塊、柴油發電機組模塊、交流負載模塊、高壓直流負載模塊、336V蓄電池組模塊、低壓直流負載模塊和-48V蓄電池組模塊;其中,所述交流市電接入模塊、所述柴油發電機組模塊、所述交流負載模塊與380V交流母線連接;所述高壓直流負載模塊和所述336V蓄電池組模塊與336V直流母線連接;所述低壓直流負載模塊和所述-48V蓄電池組模塊與-48V直流母線連接。
在一種可選實施方式中,所述微電網結構還包括:光伏供電模塊和風力供電模塊,所述光伏供電模塊和風力供電模塊與336V直流母線連接。
基于電能路由器組網的通信核心局微電網結構如圖10所示,采用電能路由器產生380V/220V交流母線,以及336V和-48V直流母線,設計初期選擇足夠大載流量的母線,后期負載增加時,只需增加電能路由器和相應配電屏即可滿足擴容需求。由于電能路由器具有通信核心局配電網中3種電源種類接口,可以省去大量開關電源、整流器等電能變換設備,簡化網絡,降低損耗和投資運維成本;此外,不同電源之間能量能夠進行交換,因此各母線上電源設備可以互為備份,可以有效提高電源設備利用率,大量減少相同種類電源備份,并且根據情況省去UPS電源,-48V蓄電池組由于電壓低,電流大,電纜消耗多,也可以省去,但是為減小壓降、就近供電,保證可靠性,也可以保留;由于電能路由器具有母線電壓和主動能量控制功能,因此太陽能光伏發電、風力發電等新能源電源設備接入相應母線,由電能路由器內部控制器作為協同控制器即可實現新能源入網,不需要改變原有電源設備;市電引入除原有交流市電外,還可以將直流輸電系統經直流換流設備降壓后接入336V母線,根據經濟指標靈活選擇交流或直流市電引入,降低用電成本。
由上面描述可知,采用電能路由器組建的通信微電網可以實現功率在不同母線間的主動控制,提高電網可控性、靈活性提高,實現電能精確控制,改善電能質量。此外,采用電能路由器對電網中的各種分布式電源和負載進行管理,可以減少電能變換裝置數量和電壓變換級數,簡化供配電系統,降低通信電源投資、建設、維護成本,減小損耗。進一步地,由于不同電源系統之間能量可以交換,互為備份,故可提高電源設備利用率和電網供電容量、可靠性、可擴展性,減少設備投資。進一步地,采用電能路由器對通信微電網進行網級控制,各種負載和電源設備協同控制,提高電網故障處理能力。進一步地,母線電壓兼容性和功率控制靈活性,使光伏、風電等新能源接入技術、高壓直流輸電技術引入成本降低,根據經濟指標靈活選擇交流或直流市電引入,降低用電成本。
參見圖11所示的基于電能路由器組網的通信核心局微電網結構的功能框圖,電能路由器是整合多種分布式電源及儲能單元,并使其與配電網協調配合、共同向負載供電的智能化電氣連接裝置。通信交直流混合微電網包括380V/220V交流母線,以及336V和-48V直流母線,其中交流220V母線通過引出380V中點獲得,因此電能路由器應包含上述幾種形式電氣接口,并且為滿足功率多種流向,電能路由器應含有雙向交直流電力電子變換器以及雙向直流變換器,由此可得功能框圖如圖11所示。圖11中的(1)、(2)、(3)分別為380V交流、-48V直流、336V直流母線,(4)、(5)分別是雙向交流/直流(AC/DC)和雙向直流/直流(DC/DC)電力電子變流器,(6)是電能路由器控制單元,(7)并網開關。圖11中虛框設備為采用電能路由器后可以引入的新型電源設備(直流配電系統、光伏發電、風力發電),或者可以簡化不再配置的現有電源設備(UPS電源、-48V蓄電池組)。通過控制單元內部傳感器反饋三條母線電壓電流信息,并根據設定的電能路由器工作模式、母線電壓參數、電流和功率調度指令進行計算,產生符合控制要求的驅動脈沖控制雙向AC/DC、DC/DC變換器工作,實現穩定母線電壓、控制有功和無功在各條母線間的流動的功能,同時控制單元監控交、直流電網、電能路由器本體和并網電源、負載設備的工作狀態,在電網內某節點異常或故障時,通過控制路由器有功、無功或給并網電源設備發送聯動指令排除故障,電網故障無法排除時斷開并網開關隔離故障,保證通信核心局微電網的安全運行。
參見圖12所示的微電網結構中電能路由器的反饋控制框圖。電能路由器各端子并接在相應母線上,其中-48V直流母線是和子模塊數量對應的N條獨立母線,控制電路從三條電壓母線反饋交流側端子三相電壓Ucabc、電流Icabc,公共直流母線電壓Udc、電流Idc,各子模塊直流側電壓信號USMxyj,(x=a,b,c;y=p,n;j=1~6)后,通過信號調理和坐標變換生成上述控制方法中需要的各控制信號,將反饋控制信號和指令信號進行比較后送入控制器,控制器計算產生電能路由器主電路工作的驅動信號,電能路由器主電路根據穩壓、主動能量控制等設定目標控制三條母線間能量的流動,滿足并接在各母線上負載的供電需求和電源設備的接入需求。
可見,本實施例提供的微電網結構可以解決現有技術中存在的以下問題:不同電源和用電設備之間不兼容,需要大量電能變換裝置,導致網絡損耗大;不同種類電源之間能量不能交換,為保證通信可靠性,各類電源、各個供電節點需要設計備用單元,導致設備利用率不高,且投資高,系統冗雜;配電網工作于穩壓模式,電網功率由負載決定,開環工作不能主動控制,調度靈活性低,節點故障時只能被動切除故障點;電網故障點多,運維成本高,可靠性差。現有配電網規模龐大,不同種類電源之間接口不兼容,能量單相流動,導致336V高壓直流電源系統、光伏、風電等新能源系統等有助于響應國家節能減排戰略目標的新興電源技術的應用需要大量前期論證工作,設備入網需要變換單元接口,投資和運維成本增加,推廣阻力大。
本實施例提供的微電網結構,采用了上述實施例所述的電能路由器,簡化了現有的配電網,節省了設備投資和運維成本,降低了網損;實現了不同種類電源互聯和可靠管理。此外,本實施例提供的微電網結構實現主動功率控制,提高系統靈活性、可靠性和可擴展性。進一步地,本實施例提供的微電網結構提高了新技術和現有電源設備兼容性,節省了技術升級帶來的投資成本。
與現有技術相比,本實用新型針對通信核心局配電網供電需求,設計了MMC電能路由器,采用MMC電能路由器可以實現不同母線間電壓變換和能量交換,通過其對電網中的各種分布式電源和負載進行管理,可以減少電能變換裝置,簡化供配電系統,降低通信電源投資、建設、維護成本,減小損耗;提高電網可控性、靈活性提高,實現電能精確控制;不同電源系統之間能量可以交換,互為備份,提高電源設備利用率和電網供電容量、可靠性、可擴展性,減少設備投資,根據經濟指標靈活選擇交流或直流市電引入,降低用電成本;兼容光伏、風電等新能源接入技術、高壓直流技術,降等新技術應用成本。
以上實施例僅用于說明本實用新型的技術方案,而非對其限制;盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明,本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改,或者對其中部分技術特征進行等同替換;而這些修改或替換,并不使相應技術方案的本質脫離本實用新型各實施例技術方案的精神和范圍。