交流電網用電能路由器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種應用于同一交流電網中兩個交流電源節點的電能路由器，即有功 功率交換裝置。
【背景技術】
[0002] 隨著智能電網和能源互聯網技術的發展，電能路由器，即能實現不同交流電源節 點的電能(有功功率)交換的電力電子裝置需求日益廣泛。現有的電能路由器主要采用AC/ DC+DC/AC兩級變換的方案實現有功功率的交換，即先通過一臺AC/DC變流器將一個交流電 源節點的交流電變換成直流電，然后再通過另外一臺DC/AC變流器將直流電變換成交流電 并送給另外一個交流電源節點，如圖1所示。例如，發明專利CN20 I 3 1 0 1 56 292、 〇吧01410236502、0吧01510162289、0呢01510253119等都采用了4(：/1^+0(：/^(：兩級變換的方 案。
[0003] 但是，這種采用AC/DC+DC/AC兩級變換的方案中，AC/DC或DC/AC變流器需要承受交 流電源節點的全部高電壓；而兩級電能變換環節的存在也會增加系統損壞，降低電能交換 的效率。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于克服現有的電能路由器技術電能變換環節多、變流器承受電壓 高的缺點，提出一種用于同一交流電網中兩個交流電源節點的電能路由器。
[0005] 本發明電能路由器連接同一電網中電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節 點，所述的電能路由器包括一臺單相電壓源變流器和一臺電感器。所述的單相電壓源換流 器和電感器L串聯連接在兩個交流電源節點之間。所述的單相電壓源變流器產生的交流輸 出電壓u。與第一交流電源節點電壓u sl和第二交流電源節點電壓us2的相位始終超前或滯后 90°，且頻率相同。通過調整所述單相電壓源變流器交流輸出電壓u。的幅值，即可調整兩個 交流電源節點之間交換的有功功率大小。單相電壓源變流器交流輸出電壓u。的幅值U。由下 式計算得到：
[0006] Uc= 2 ω X L X Pexchange_ref/Ul2
[0007] 其中，U12為兩個交流電源節點的電壓幅值，P_hange3_rrf為兩個交流電源節點需要交 換的有功功率參考值，ω為交流節點電壓的角頻率，L為電感器的電感值。
[0008] 由于第一交流電源節點電壓Usl和第二交流電源節點電壓us2幅值相等、相位相同， 而所述單相電壓源變流器的交流輸出電壓u。與電感器兩端的電壓UL之和為第一交流電源節 點電壓u sl和第二交流電源節點電壓us2之差，即為0V。因此，單相電壓源變流器的交流輸出 電壓u。和電感器兩端的電壓Ul幅值相等、相位相反。又因為，流過電感器L的交流電流i與電 感電壓I相位必然相差90°，而單相電壓源變流器的交流輸出電壓u。與流過的交流電流i相 位也相差90°。因此，單相電壓源變流器吸收或發出的有功功率為零。同時，第一交流電源節 點電壓u sl的幅值和第二交流電源節點電壓us2的幅值與流過兩者之間的交流電流i相位相 同或相差180°，即兩個交流電源節點之間只交換有功功率，功率因數為1。
[0009] 另外，所述的電能路由器中的變流器只需承受兩個交流節點之間的電壓差，無需 承受兩個交流電網節點的相電壓，采用低壓的電氣元件即可實現。相比于電能路由器現有 的AC/DC+DC/AC兩級變換的方案，本發明只需一級變流器即可實現兩個交流電源節點的有 功功率交換，可以較少損耗，提高電能交換的效率。
【附圖說明】
[0010] 圖1為電能路由器的現有實現方案；
[0011] 圖2為本發明交流電網用電能路由器的電路原理圖；
[0012] 圖3為單相電壓源變流器的一種具體電路拓撲；
[0013] 圖4為采用圖3所示的單相電壓源變流器時，本發明交流電網用電能路由器的計算 機仿真結果。
【具體實施方式】
[0014] 以下結合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發明。
[0015] 圖2為本發明交流電網用電能路由器的電路原理圖，圖3為單相電壓源變流器的一 種具體電路拓撲，即單相全橋變流器。當采用圖3所示的單相電壓源變流器時，本發明交流 電網用電能路由器的具體連接方式為:單相電壓源換流器的第一交流輸出端Vl與第一交流 電源節點電壓11 51的連接點Gl連接，單相電壓源換流器的第二交流輸出端V2與電感器的第一 輸出端Tl連接，電感器的第二輸出端T2與第二交流電源節點電壓U s2的連接點G2連接，如圖2 所示。單相電壓源變流器由電容C和四個開關S1-S4組成，第一開關Sl與第二開關S2的公共 連接點作為交流輸出端VI，第三開關S3與第四開關S4的公共連接點作為交流輸出端V2,第 一開關Sl和第三開關S3的集電極連接到電容的正極P，第二開關S2和第四開關S4的發射極 連接到電容的負極N，如圖3所示。
[0016] 本發明交流電網用電能路由器中，單相電壓源變流器交流輸出電壓Uc與第一交流 電源節點電壓usl和第二交流電源節點電壓u s2的相位始終超前或滯后90°，且頻率相同。所 述單相電壓源變流器交流輸出電壓Uc的幅值Uc由下式計算得到：
[0017] Uc= 2 ω X L X Pexchange_ref/Ul2
[0018] 其中，U12為兩個第一交流電源節點電壓和第二交流電源節點電壓的幅值， 為第一交流電源節點和第二交流電源節點需要交換的有功功率參考值，ω為交 流節點電壓的角頻率，L為電抗器的電感值。
[0019] 本發明連接的兩個單相IOkV交流電網的電能路由器仿真模型參數如下： 第一交流電源節點電壓有效值： 10 kv 第二交流電源節點電壓有效值： IOkV 兩個交流電源節點電壓頻率： 5:0 Hz 電感器:尤:、 20 ηιΗ 單相電壓源變流器電容C: IOmF
[0020] 單相電壓源變流器電容額定電壓： 600: V 單相電壓源變流器交流輸出電壓幅值： 360 V 單相電壓源變流器交流輸出電壓相位： 滯后電源電壓90° 單相電壓源變流器調制方法： SPWM: 單相電壓源變流器開關頻率； 10 kHz
[0021]圖4為采用本發明所述交流電網用電能路由器控制方法時的計算機仿真結果。由 仿真結果可見，兩個交流電源節點之間流通的電流i與兩個交流電源節點電壓相位幾乎完 全一致，即兩個交流電源節點沒有無功功率產生。另外，根據本發明所述的電壓源變流器交 流輸出電壓u。的幅值確定公式可以計算得到兩個交流電源節點交換的有功功率為： Pexchange_ref = U12 XUc/(2 ω L) = 405.08kW。而由圖4中的仿真結果可見，i的有效值為40.5A， 即兩個交流電源節點交換的有功功率為40.5AX10kV = 405kW，與理論計算結果一致，也驗 證了所述方法的正確性。
[0022]同時，對于其中的單相電壓源變流器來說，其視在功率只有360V+1.414X40.5A = 10.311kVA，遠遠小于兩個交流電源節點交換的功率405kW。同時，由于單相電壓源變流器 中的電容電壓只有600V，也遠低于兩個交流電源節點電壓10kV。因此，單相交流電壓源變流 器中的電氣元件的電壓、功率應力均較小。
【主權項】
1. 一種交流電網用電能路由器，包括一臺單相電壓源變流器和一臺電感器L，所述的單 相電壓源換流器和電感器L串聯連接在電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節點之間， 其特征在于:單相電壓源換流器的第一交流輸出端VI與第一交流電源節點電壓u sl的連接點 G1連接，單相電壓源換流器的第二交流輸出端V2與電感器的第一輸出端T1連接，電感器的 第二輸出端T2與第二交流電源節點電壓u s2的連接點G2連接。2. 如權利要求1所述的電能路由器，其特征在于:所述的單相電壓源變流器產生的交流 輸出電壓u。與第一交流電源節點電壓usl和第二交流電源節點電壓u s2的相位始終超前或滯 后90°，且頻率相同；通過調整單相電壓源變流器交流輸出電壓u。的幅值，調整兩個交流電 源節點之間交換的有功功率大小。3. 如權利要求1所述的電能路由器，其特征在于:所述的單相電壓源變流器交流輸出電 壓u。的幅值U。由下式計算得到： Uc - 2 W X L X Pexchange-ref/Ul2 其中，U12為兩個交流電源節點的電壓幅值，P_hange3_rrf為兩個交流電源節點需要交換的 有功功率參考值，ω為交流電源節點電壓的角頻率，L為電抗器的電感值。4. 如權利要求1所述的電能路由器，其特征在于:所述的第一交流電源節點電壓usl和第 二交流電源節點電壓u s2的幅值相等、相位相同，而單相電壓源變流器交流輸出電壓u。與電 感兩端電壓uL之和為第一交流電源節點電壓u sl和第二交流電源節點電壓us2之差，即為0V; 因此，單相電壓源變流器交流輸出電壓u。和電感兩端電壓幅值相等、相位相反;又因為，流 過電感L的交流電流i與電感電壓u L相位必然相差90°，而單相電壓源變流器交流輸出電壓Uc 與流過的交流電流i相位也相差90°，因此，單相電壓源變流器吸收或發出的有功功率為零； 同時，第一交流電源節點電壓usl和第二交流電源節點電壓u s2的幅值與流過兩者之間的交 流電流i相位相同或相差180°，即兩個交流電源節點之間只交換有功功率，功率因數為1。5. 如權利要求1所述的電能路由器，其特征在于:所述的變流器只需承受兩個交流節點 之間的電壓差，無需承受兩個交流電網節點的相電壓，采用低壓的電氣元件即可實現。
【專利摘要】一種交流電網用電能路由器，連接同一電網中電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節點。第一交流電網節點與第二交流電網節點之間串聯連接一臺單相電壓源變流器和一個電感。所述單相電壓源變流器輸出電壓的相位與交流電源節點電壓相差90°，通過調節其幅值即可調節所連接的兩個交流電源節點之間交換有功功率的大小。該電能路由器中的變流器采用遠低于交流節點電壓的低壓電氣元件即可實現。該電能路由器既適用于單相系統，也適用于三相系統。
【IPC分類】H02M5/293, H02J3/06
【公開號】CN105610167
【申請號】CN201610007125
【發明人】李子欣, 李耀華, 王平, 高范強, 徐飛, 馬遜, 楚遵方
【申請人】中國科學院電工研究所
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2016年1月6日