电能质量综合治理和功率优化的能量路由器及其控制方法技术

电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，包括串联变压器、网侧隔离变换器、负载侧变换器、功能切换开关Si和集中控制器。本发明专利技术提供了一种将统一电能质量控制器和功率优化功能集成于一体的新型低压能量路由器及其控制方法，通过设置在智能配电网的网侧高压交流母线和负载侧低压交流母线之间的新型低压能量路由器实现，该控制方法根据检测单元提供的采样信号，判断故障情况，进行功能选择，生成控制指令并进行控制,以最小的硬件成本，实现了电能质量综合治理和功率优化功能，广泛应用于工厂、企业、家庭和学校等场所。

Energy router and its control method for power quality comprehensive management and power optimization

Energy routers for integrated power quality control and power optimization, including series transformer, network side isolation converter, load side converter, function switch switch Si and centralized controller. The invention provides a new low voltage energy router and its control method integrating the unified power quality controller and the power optimization function. By setting up a new low voltage energy router between the high voltage AC bus and the load side low voltage AC busbar in the intelligent distribution network, the control method is based on the inspection. The sampling signal provided by the unit is used to judge the fault situation, to select the function, to generate the control instructions and to control, and to realize the comprehensive control and power optimization of the power quality with the minimum hardware cost. It is widely used in factories, enterprises, families and schools and other places.

【技术实现步骤摘要】
电能质量综合治理和功率优化的能量路由器及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种将统一电能质量控制器(UPQC，UniversalPowerQualityController)和能量路由器功能集成于一体的用于智能配电网电能质量综合治理和功率优化的新型低压能量路由器及其控制方法。
技术介绍
为了满足用户对供电可靠性、电能质量的要求，满足分布式电源的大规模应用，传统配电网的功能亟待改善，智能配电网是坚强智能电网的基石，坚强在特高压，智能在配电网。统一电能质量控制器将串联变流器和并联变流器通过公用直流母线进行连接，同时解决供电系统的电压电能质量问题和负载产生的电流质量问题。其中，串联变流器解决电网侧电压的跌落、谐波等电压电能质量问题，并联变流器解决负载谐波和无功电流等电流质量问题，两者可独立运行，也可协同运行。能量路由器是智能配电网的关键设备，具有电压变换、能量双向流动，为分布式电源提供与电网和负载进行能量交换的接口，实现能量管理和潮流控制等功能。能量路由器作为一种电力电子装置目前各国正处于理论研究和样机试制阶段，尚无成熟产品推广应用。智能配电网中电能质量综合治理和能量路由器的应用需求是同时存在的，但目前大部分研究都将统一电能质量控制器和能量路由器作为单独的电力电子装置进行研究。若将统一电能质量控制器和能量路由器的功能集成在一套电力电子装置中，将极大节省场地投资和硬件成本。
技术实现思路
本专利技术提供了一种将统一电能质量控制器和功率优化功能集成于一体的新型低压能量路由器及其控制方法。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案为：电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，包括串联变压器、网侧隔离变换器、负载侧变换器、功能切换开关Si和集中控制器；所述的串联变压器的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线与负载侧低压交流母线之间；所述的网侧隔离变换器通过低压直流母线与负载侧变换器连接，且低压直流母线通过储能系统连接至分布式电源；所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S1、串联变压器切换开关S2、网侧串联切换开关S3、网侧并联切换开关S4、负载侧并联切换开关S5和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S1连接于智能配电网的网侧高压交流母线与公共连接点PCC之间，公共连接点PCC(PointofCommonCoupling)即串联变压器的原边网侧连接端，串联变压器切换开关S2与串联变压器的原边并联，用于控制串联变压器接入或切出智能配电网，网侧串联切换开关S3连接于串联变压器的副边与网侧隔离变换器之间，网侧并联切换开关S4连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器之间，负载侧并联切换开关S5连接于负载侧变换器与负载侧低压交流母线之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间，用于将串联变压器原边接入线路；所述的集中控制器包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线的电压、电流，负载侧低压交流母线的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式，以最小硬件成本，实现新型低压能量路由器的电能质量综合治理和功率优化的功能；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器的控制指令和负载侧变换器的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器和负载侧变换器功率开关管的驱动脉冲信号。所述的网侧隔离变换器具有三相输入端和一路低压直流母线输出端，网侧隔离变换器由多个隔离变换子模块组成，且三相的隔离变换子模块数量相同；所述的每个隔离变换子模块均有输入侧首端和输入侧尾端、输出侧首端和输出侧尾端，且各相中的第一个隔离变换子模块的输入侧首端引出端子作为三相输入端，最后一个隔离变换子模块的输入侧尾端相间星型连接；同相内的下一个隔离变换子模块的输入侧首端连接至其相邻的上一隔离变换子模块的输入侧尾端，即相邻的两个隔离变换子模块输入侧的首尾顺次相连；三相所有隔离变换子模块的输出侧首端相连作为低压直流母线输出侧首端，隔离变换子模块的输出侧尾端相连作为低压直流母线输出侧尾端。所述的隔离变换子模块包括交-直变换器和双向DC-DC变换器，交-直变换器和双向DC-DC变换器通过直流母线连接，其中，交-直变换器由一组全控型H桥组成，双向DC-DC变换器由两组全控型H桥、谐振电感、谐振电容和高频变压器组成；所述的交-直变换器的第一功率开关管和第二功率开关管串联组成第一桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧首端，第三功率开关管和第四功率开关管串联组成第二桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧尾端；第一功率开关管和第三功率开关管的顶端连在一起与电容的正极相连，第二功率开关管和第四功率开关管的尾端连在一起与电容的负极相连；所述的双向DC-DC变换器的第五功率开关管和第六功率开关管串联组成第三桥臂，第七功率开关管和第八功率开关管串联组成第四桥臂，第五功率开关管和第七功率开关管的顶端连在一起与第一电容的正极相连，第六功率开关管和第八功率开关管的尾端连在一起与第一电容的负极相连，第三桥臂和第四桥臂的中点引出线分别通过谐振电感和谐振电容与高频变压器的原边连接；第九功率开关管和第十功率开关管串联组成第五桥臂，第十一功率开关管和第十二功率开关管串联组成第六桥臂，第五桥臂和第六桥臂的中点引出线直接与高频变压器的副边连接，第九功率开关管和第十一功率开关管的顶端连在一起与第三电容的正极相连，并引出端子作为输出侧首端，第十功率开关管和第十二功率开关管的尾端连在一起与第三电容的负极相连，并引出端子作为输出侧尾端。所述的负载侧变换器为一个或多个与网侧隔离变换器共用低压直流母线的三相逆变器组成，负载侧变换器为三相全控半桥结构，第一功率开关管和第二功率开关管串联组成第七桥臂，第三功率开关管和第四功率开关管串联组成第八桥臂，第五功率开关管和第六功率开关管串联组成第九桥臂，第七桥臂、第八桥臂和第九桥臂的中点引出端子作为三相输出端，第一功率开关管、第三功率开关管和第五功率开关管的顶端连在一起与第一电容的正极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧首端，第二功率开关管、第四功率开关管和第六功率开关管的尾端连在一起与第一电容的负极相连，并引出端子作为低压直流母线输入侧尾端。所述的能量路由器的控制方法，包括如下步骤：步骤1、检测单元对智能配电网的网侧高压交流母线的电压、电流，负载侧低压交流母线的电压、电流进行检测；步骤2、故障判断单元判断智能配电网与能量路由器是否出现故障，且功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式：(1)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择电能质量综合治理功能F1时，则进入步骤3；(2)若能量路由器正常，且智能配电网正常，当功能选择单元选择有功能量双向流动和无功补偿的功率优化功能F2时，则进入步骤4；(3)若能量路由器正常，且智能配电网故障，功能选择单元选择不间断电源UPS功能F3，则进入步骤5；(4)若能量路由器故障，且本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：包括串联变压器(4)、网侧隔离变换器(7)、负载侧变换器(9)、功能切换开关Si和集中控制器(12)；所述的串联变压器(4)的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与负载侧低压交流母线(13)之间；所述的网侧隔离变换器(7)通过低压直流母线(10)与负载侧变换器(9)连接，且低压直流母线(10)通过储能系统连接至分布式电源；所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S1(2)、串联变压器切换开关S2(3)、网侧串联切换开关S3(5)、网侧并联切换开关S4(6)、负载侧并联切换开关S5(11)和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S1(2)连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与公共连接点PCC之间，串联变压器切换开关S2(3)与串联变压器(4)的原边并联，网侧串联切换开关S3(5)连接于串联变压器(4)的副边与网侧隔离变换器(7)之间，网侧并联切换开关S4(6)连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器(7)之间，负载侧并联切换开关S5(11)连接于负载侧变换器(9)与负载侧低压交流母线(13)之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间；所述的集中控制器(12)包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线(1)的电压、电流，负载侧低压交流母线(13)的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器(7)的控制指令和负载侧变换器(9)的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号。...

【技术特征摘要】
1.电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：包括串联变压器(4)、网侧隔离变换器(7)、负载侧变换器(9)、功能切换开关Si和集中控制器(12)；所述的串联变压器(4)的原边连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与负载侧低压交流母线(13)之间；所述的网侧隔离变换器(7)通过低压直流母线(10)与负载侧变换器(9)连接，且低压直流母线(10)通过储能系统连接至分布式电源；所述的功能切换开关Si包括电源切换开关S1(2)、串联变压器切换开关S2(3)、网侧串联切换开关S3(5)、网侧并联切换开关S4(6)、负载侧并联切换开关S5(11)和串联变压器线路投切开关S6，其中，电源切换开关S1(2)连接于智能配电网的网侧高压交流母线(1)与公共连接点PCC之间，串联变压器切换开关S2(3)与串联变压器(4)的原边并联，网侧串联切换开关S3(5)连接于串联变压器(4)的副边与网侧隔离变换器(7)之间，网侧并联切换开关S4(6)连接于公共连接点PCC与网侧隔离变换器(7)之间，负载侧并联切换开关S5(11)连接于负载侧变换器(9)与负载侧低压交流母线(13)之间，串联变压器线路投切开关S6位于串联变压器原边两路出线端子与线路之间；所述的集中控制器(12)包括检测单元、故障判断单元、功能选择单元、外环控制单元和内环控制单元，其中，检测单元用于对智能配电网的网侧高压交流母线(1)的电压、电流，负载侧低压交流母线(13)的电压、电流进行检测；故障判断单元用于判断智能配电网与能量路由器是否出现故障；功能选择单元根据智能配电网、分布式电源和负载的运行工况，通过调整功能切换开关Si的组合，选择合理的工作模式；外环控制单元根据功能选择单元确定的工作模式，分别生成网侧隔离变换器(7)的控制指令和负载侧变换器(9)的控制指令；内环控制单元根据外环控制单元生成的控制指令，分别生成网侧隔离变换器(7)和负载侧变换器(9)功率开关管的驱动脉冲信号。2.根据权利要求1所述的电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：所述的网侧隔离变换器(7)具有三相输入端(u3、v3、w3)和一路低压直流母线输出端(p1、n1)，网侧隔离变换器(7)由多个隔离变换子模块(8)组成，且三相的隔离变换子模块(8)数量相同；所述的每个隔离变换子模块(8)均有输入侧首端(a1)和输入侧尾端(a2)、输出侧首端(b1)和输出侧尾端(b2)，且各相中的第一个隔离变换子模块(8)的输入侧首端(a1)引出端子作为三相输入端(u3、v3、w3)，最后一个隔离变换子模块(8)的输入侧尾端(a2)相间星型连接；同相内的下一个隔离变换子模块(8)的输入侧首端(a1)连接至其相邻的上一隔离变换子模块(8)的输入侧尾端(a2)；三相所有隔离变换子模块(8)的输出侧首端(b1)相连作为低压直流母线输出侧首端(p1)，隔离变换子模块(8)的输出侧尾端(b2)相连作为低压直流母线输出侧尾端(n1)。3.根据权利要求2所述的电能质量综合治理和功率优化的能量路由器，其特征在于：所述的隔离变换子模块(8)包括交-直变换器和双向DC-DC变换器，交-直变换器和双向DC-DC变换器通过直流母线连接，其中，交-直变换器由一组全控型H桥组成，双向DC-DC变换器由两组全控型H桥、谐振电感(L81)、谐振电容(C82)和高频变压器(T81)组成；所述的交-直变换器的第一功率开关管(S801)和第二功率开关管(S802)串联组成第一桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧首端(a1)，第三功率开关管(S803)和第四功率开关管(S804)串联组成第二桥臂，桥臂的中点引出端子作为输入侧尾端(a2)；第一功率开关管(S801)和第三功率开关管(S803)的顶端连在一起与电容(C81)的正极相连，第二功率开关管(S802)和第四功率开关管(S804)的尾端连在一起与电容(C81)的负极相连；所述的双向DC-DC变换器的第五功率开关管(S805)和第六功率开关管(S806)串联组成第三桥臂，第七功率开关管(S807)和第八功率开关管(S808)串联组成第四桥臂，第五功率开关管(S805)和第七功率开关管(S807)的顶端连在一起与第一电容(C81)的正极相连，第六功率开关管(S806)和第八功率开关管(S808)的尾端连在一起与第一电容(C81)的负极相连，第三桥臂和第四桥臂的中点引出线分别通过谐振电感(L81)和谐振电容(C82)与高频变压器(T81)的原边连接；第九功率开关管(S809)和第十...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯丽娜，韩克俊，谈翀，王永刚，仇辉，高立东，刘汝峰，曹兴生，时培征，焉媛媛，邵会朋，李象军，
申请(专利权)人：山东电力设备有限公司，山东输变电设备有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37