基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法，包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器，用于实现直流配电网中不同电压等级直流母线的互联；低压侧PWM/二极管混合整流单元包括一个低压侧PWM整流单元和若干低压侧二极管整流单元，低压侧PWM整流单元采用基于全控器件的交直流变换拓扑，低压侧二极管整流单元采用基于二极管不控器件的三相不控整流拓扑；中高频三相交流变压器采取一入多出的耦合方式。本发明专利技术能量路由器可实现电能双向传输，控制简单可靠，通流能力强，所用器件少，成本大为降低。当负载功率波动时，可自适应调整功率输出。

【技术实现步骤摘要】
基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法
本专利技术属于电力电子
，具体涉及一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法。
技术介绍
直流输配电技术具有传输导线少、电能损耗小、供电可靠性高、新能源发电系统易于接入等优点，逐渐成为输配电领域的研究热点。与交流系统类似，直流输配电系统中，通常需要连接不同电压等级的直流电网，而直流电网中难以直接通过交流变压器实现电压变换，因此如何实现直流电网不同电压等级母线的互联，成为直流输配电领域的研究热点。基于电力电子变换拓扑的能量路由器不仅能对直流电压进行变换，而且可以实现潮流控制、短路电流限制等附加功能，是实现直流电压变换的优选方案。由于低压小容量领域的电力电子拓扑已经较为成熟，因此该领域下能量路由器的拓扑方案选择较多。而高压大容量领域的电力电子拓扑通常需通过串并联实现电压和功率扩展，如何设计和选择功率变换拓扑是能量路由器在高压大容量领域面临的重要挑战之一。一般而言，器件直接并联、变流器并联和变流器多相设计均可有效增强变流器的电流输出能力；开关器件直接串联、多电平技术和变流器串联均可有效提升变流器耐压。然而随着直流电网电压等级的提高和功率等级的增大，上述拓扑复杂度将极大提高，所需功率器件数量迅速增大，拓扑灵活性差，成本高，极大限制了其工程应用。
技术实现思路
鉴于上述，本专利技术提供了一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器及其控制方法，具有控制简单灵活、工程实现简单、成本较低、运行效率高的优点。一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器，包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口与高压直流电网连接，高压侧功率变换单元的交流端口与中高频三相交流变压器的高压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的交流端口与中高频三相交流变压器的低压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口与低压直流电网连接；所述高压侧功率变换单元用于将直流电转换成交流电，其内部采用全控型功率器件(如IGBT、IGCT或IEGT等)；所述低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，所述低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元均用于将交流电转换成直流电，其中低压侧PWM整流单元内部采用全控型功率器件，低压侧二极管整流单元内部采用不控型功率器件(如整流二极管等)，m为大于0的自然数；所述中高频三相交流变压器采用一入多出的耦合方式，其低压侧绕组包含m+1个独立绕组，m+1个独立绕组分别与低压侧PWM整流单元以及低压侧二极管整流单元的交流端口一一对应连接，低压侧PWM整流单元与低压侧二极管整流单元的直流端口并联后接入低压直流电网。进一步地，所述高压侧功率变换单元采用模块化多电平换流拓扑及其变形拓扑结构等，所述低压侧PWM整流单元采用模块化多电平换流拓扑及其变形拓扑结构、三相桥式整流拓扑结构、飞跨电容型多电平整流拓扑结构或二级管箝位多电平拓扑结构等，所述低压侧二极管整流单元采用不控整流器件的交直流变换拓扑结构(如三相不控整流拓扑及其串并联拓扑结构等)。进一步地，所述高压侧功率变换单元与低压侧PWM整流单元的桥臂子模块级联个数之比接近于V1:V2，V1和V2分别为高压侧功率变换单元和低压侧PWM整流单元的直流侧电压。上述直流配电网能量路由器的控制方法如下：当能量从高压直流电网向低压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于交流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于直流电压控制模式，低压侧二极管整流单元工作于不控整流模式；当低压直流电网负载功率波动时，调整高压侧功率变换单元的交流电压，改变低压侧二极管整流单元的功率输出，使低压侧PWM整流单元通过交流电压前馈控制及直流电压控制自适应调整功率输出；当能量从低压直流电网向高压直流电网传输时，使高压侧功率变换单元工作于直流电压控制模式，低压侧PWM整流单元工作于交流电压控制模式，低压侧二极管整流单元停止工作；当高压直流电网负载功率波动时，使高压侧功率变换单元自适应调整功率输出。基于上述技术方案，本专利技术具有以下有益技术效果：(1)本专利技术能量路由器由于低压直流侧采用低压侧PWM/二极管混合整流单元，可实现低压直流电网电压与电流的解耦控制，控制简单稳定，工程实现简单。(2)本专利技术直流变压器能保证低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元在特定输出功率比下工作，并在复杂工况下保持低压侧PWM整流单元输出功率的稳定，能最大程度降低低压侧PWM整流单元的容量，极大地减小了制造成本。(3)本专利技术能量路由器器件数目减少，低压侧二极管整流单元采用技术成熟的不控整流器件和不控整流拓扑，成本大为降低。(4)基于本专利技术中的直流变压器，功率传输模块采用技术成熟的不控整流器件和拓扑，半控或全控型器件的使用数量大幅减少，控制简单可靠，成本大为降低。(5)基于本专利技术能量路由器过压和通流能力增强，提高了能量路由器的可靠性。(6)本专利技术能量路由器与低压直流电网完全采用不控整流拓扑的能量路由器相比，直流电压稳定，可实现能量双向流动；与低压直流电网完全采用全控整流拓扑的能量路由器相比，通流能力增强，所用器件数目减少，成本降低。(7)本专利技术能量路由器的功率范围大，为大功率能量路由器的设计提供方案。附图说明图1为本专利技术直流配电网能量路由器的结构示意图。图2(a)为高压侧功率变换单元的模块化多电平变换拓扑结构示意图。图2(b)为半桥子模块的结构示意图。图2(c)为全桥子模块的结构示意图。图3(a)为低压侧PWM整流单元的模块化多电平变换拓扑结构示意图。图3(b)为中点箝位整流拓扑结构示意图。图3(c)为电容箝位整流拓扑结构示意图。图3(d)为低压侧PWM整流单元的三相全控整流拓扑结构示意图。图4为低压侧二极管整流单元的拓扑结构示意图。具体实施方式为了更为具体地描述本专利技术，下面结合附图及具体实施方式对本专利技术的技术方案进行详细说明。如图1所示，本专利技术基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器包括一高压侧功率变换单元、一低压侧PWM/二极管混合整流单元和一中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口连接高压直流电网，高压直流电网的正负极分别为P1、N1，直流母线电压为V1，直流母线电流为I1；低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口连接低压直流电网，低压直流电网的正负极分别为P2、N2，直流母线电压为V2，直流母线电流为I2；高压侧功率变换单元的三相交流端口与低压侧PWM/二极管混合整流单元的三相交流端口分别连接到中高频三相交流变压器的高压侧绕组和低压侧绕组，实现高压侧和低压侧的隔离与耦合。低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，各低压侧二极管整流单元均包含一个电感Li(i＝1,2,…,m)，低压侧PWM整流单元的直流端口正极和各低压侧二极管整流单元的正极均连接到低压直流电网的直流母线正极P2，低压侧PWM整流单元的直流端口负极和各低压侧二极管整流单元的负极均连接到低压直流电网的直流母线负极N2；中高频三相交流变压器的频率范围为10本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器，其特征在于：包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口与高压直流电网连接，高压侧功率变换单元的交流端口与中高频三相交流变压器的高压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的交流端口与中高频三相交流变压器的低压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口与低压直流电网连接；所述高压侧功率变换单元用于将直流电转换成交流电，其内部采用全控型功率器件；所述低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，所述低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元均用于将交流电转换成直流电，其中低压侧PWM整流单元内部采用全控型功率器件，低压侧二极管整流单元内部采用不控型功率器件，m为大于0的自然数；所述中高频三相交流变压器采用一入多出的耦合方式，其低压侧绕组包含m+1个独立绕组，m+1个独立绕组分别与低压侧PWM整流单元以及低压侧二极管整流单元的交流端口一一对应连接，低压侧PWM整流单元与低压侧二极管整流单元的直流端口并联后接入低压直流电网。...

【技术特征摘要】
1.一种基于PWM/二极管混合整流结构的直流配电网能量路由器，其特征在于：包括高压侧功率变换单元、低压侧PWM/二极管混合整流单元和中高频三相交流变压器；其中，高压侧功率变换单元的直流端口与高压直流电网连接，高压侧功率变换单元的交流端口与中高频三相交流变压器的高压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的交流端口与中高频三相交流变压器的低压侧绕组连接，低压侧PWM/二极管混合整流单元的直流端口与低压直流电网连接；所述高压侧功率变换单元用于将直流电转换成交流电，其内部采用全控型功率器件；所述低压侧PWM/二极管混合整流单元包含一个低压侧PWM整流单元和m个低压侧二极管整流单元，所述低压侧PWM整流单元和低压侧二极管整流单元均用于将交流电转换成直流电，其中低压侧PWM整流单元内部采用全控型功率器件，低压侧二极管整流单元内部采用不控型功率器件，m为大于0的自然数；所述中高频三相交流变压器采用一入多出的耦合方式，其低压侧绕...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，杨贺雅，董玉斐，刘永霞，唐俊松，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33