电能路由器及微电网结构的利记博彩app

本实用新型涉及电能技术领域，具体涉及一种电能路由器及微电网结构。

背景技术：

随着4G技术、数据通信和互联网业务的发展，通信设备对供电可靠性要求越来越高，用电量也远超传统交换、传输等通信业务。由于通信核心局耗电量大，为提高供电容量和抗干扰能力，并方便运营单位管理维护，通信电源供配电系统通常采用图1所示的集中供电方式，在通信核心局中集中设置高低压变配电室，通过高压配电柜、电力变压器将10kV中压交流电变换到380V/220V低压交流电，再通过低压配电柜将电能分配的不同机房楼或同一机房楼不同楼层、区域的电力电池室、配电室给负载供电。

电力电池室电源系统框图如图2所示，包括交流配电箱、交流配电屏、直流配电屏、UPS电源、-48V开关电源、336V高压直流电源、蓄电池组等电源设备，根据不同负载的供电等级和电源需求，给低压直流、高压直流、交流通信负载，动力和环境监控系统、建筑照明、消防智能化等建筑负载，空调和通排风系统等其他交流负载供电。

从上面的描述可见，目前通信核心局电源种类包括380V/220V交流，-48V低压直流和336V高压直流三种，采用树干式结构从10kV开始逐级变换、分配电能，380V/220V交流市电和高压直流开关电源、低压直流开关电源、蓄电池组、UPS电源等通信电源设备之间为上下游关系，电能从交流市电到通信电源设备再到负载单相流动，不同种类通信电源设备之间不兼容且能量不能交换。通信配电网工作在稳压模式，提供380/220V交流、-48V直流和336V直流三条电压母线，功率由负载决定，不能主动控制。根据现有通信核心局供配电系统技术方案描述，可得目前通信核心局配电网拓扑结构如图3所示，可见这种树干式多级变换的通信配电网络结构复杂，电源种类和供电设备繁多、系统复杂。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供一种电能路由器及微电网结构，本实用新型提供的电能路由器具有模块化，可扩展性高，高压直流、低压直流和交流之间能量可交换的优点，并且自带有三相交流、高压直流和低压直流端，适合通信微电网供电应用。

为解决上述技术问题，本实用新型提供以下技术方案：

第一方面，本实用新型提供了一种电能路由器，包括：低压直流端、三相交流端、高压直流端和三相支路；其中，每相支路分别包括有一个整桥臂电路，每个整桥臂电路包括有一个上桥臂电路和一个下桥臂电路，上桥臂电路由N个半桥模块和一个上桥臂电感依次串联组成，下桥臂电路由一个下桥臂电感和N个半桥模块依次串联组成，上桥臂电感与下桥臂电感直接连接且上桥臂电感与下桥臂电感之间的连接点称为桥臂中点；

其中，每个半桥模块包括一个半桥结构以及位于直流侧的低压蓄电池组；每个半桥模块的直流侧电压为U^*_SM，每个半桥模块的直流侧输出电压端为电能路由器的低压直流端；

其中，每个半桥结构由上下连接的两个IGBT管组成，当位于上方的IGBT管开通，位于下方的IGBT管关断时，与该半桥结构对应的半桥模块的交流端输出电压U_ab＝U^*_SM；当位于上方的IGBT管关断，位于下方的IGBT管开通时，与该半桥结构对应的半桥模块的交流端输出电压为U_ab＝0；每相支路通过控制每个半桥模块中两个IGBT管的通断实现整桥臂输出电压U_arm从0～N*U^*_SM之间阶梯变化；所述电能路由器还包括调制变压器，所述调制变压器的输入端与三相的桥臂中点连接，所述调制变压器的输出端为所述电能路由器的三相交流端；

三相支路整流桥臂的公共直流侧输出电压端为电能路由器的高压直流端。

进一步地，所述半桥模块的直流侧还设置有支撑电容。

进一步地，上桥臂电感与下桥臂电感的电感值相同。

进一步地，所述电能路由器的三相交流端的输出电压为：U_cabc＝MU_dc cosω₀t；

其中，U_cabc为电能路由器的三相交流端的输出电压，M为所述调制变压器的调制比，ω₀t为所述调制变压器的调制相位，U_dc为每相支路的整桥臂输出电压。

进一步地，所述N为6。

进一步地，每个半桥模块的直流侧电压U^*_SM为60V。

第二方面，本发明还提供了一种微电网结构，包括：380V/220V交流母线、336V直流母线、-48V直流母线以及至少一个如上面所述的电能路由器；

其中，所述380V/220V交流母线与电能路由器的三相交流端连接，所述336V直流母线与电能路由器的高压直流端连接，所述-48V直流母线与电能路由器的低压直流端连接。

进一步地，所述微电网结构还包括：双向交直流电力电子变换器和双向直流变换器；

所述双向交直流电力电子变换器分别与380V/220V交流母线以及336V直流母线连接；

所述双向直流变换器分别与336V直流母线以及-48V直流母线连接。

进一步地，所述微电网结构还包括：交流市电接入模块、柴油发电机组模块、交流负载模块、高压直流负载模块、336V蓄电池组模块、低压直流负载模块和-48V蓄电池组模块；

所述交流市电接入模块、所述柴油发电机组模块、所述交流负载模块与380V交流母线连接；

所述高压直流负载模块和所述336V蓄电池组模块与336V直流母线连接；

所述低压直流负载模块和所述-48V蓄电池组模块与-48V直流母线连接。

进一步地，所述微电网结构还包括：光伏供电模块和风力供电模块，所述光伏供电模块和风力供电模块与336V直流母线连接。

由上述技术方案可知，本实用新型提供的电能路由器具有模块化，可扩展性高，高压直流、低压直流和交流之间能量可交换的优点，并且自带有三相交流、高压直流和低压直流端，适合通信微电网供电应用。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术中通信核心局配电网集中供电方式示意图；

图2是现有技术中电力电池室电源系统框图；

图3是现有技术中通信核心局配电网拓扑结构；

图4是本发明一实施例提供的电能路由器的结构示意图；

图5是本发明一实施例提供的电能路由器单相等效电路；

图6是本发明一实施例提供的电能路由器单相等效模型示意图；

图7a是本发明一实施例提供的电能路由器交流侧控制系统结构示意图；

图7b是本发明一实施例提供的电能路由器交流侧电流环等效控制框图；

图8是本发明一实施例提供的半桥模块电压平均控制框图；

图9是本发明一实施例提供的半桥模块电压平衡控制框图；

图10是基于电能路由器组网的微电网结构的结构示意图；

图11是基于电能路由器组网的通信核心局微电网结构的功能框图；

图12是微电网结构中电能路由器的反馈控制框图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型第一个实施例提供了一种电能路由器，参见图4(以N＝6为例)所示的电能路由器结构示意图，该电能路由器包括：低压直流端(2)、三相交流端(1)、高压直流端(3)和三相支路；其中，每相支路分别包括有一个整桥臂电路，每个整桥臂电路包括有一个上桥臂电路和一个下桥臂电路，上桥臂电路由N＝个半桥模块SM和一个上桥臂电感L_r依次串联组成，下桥臂电路由一个下桥臂电感L_r和N个半桥模块SM依次串联组成，上桥臂电感与下桥臂电感直接连接且上桥臂电感与下桥臂电感之间的连接点称为桥臂中点，如图中的A、B和C点；

其中，每个半桥模块SM包括一个半桥结构以及位于直流侧的低压蓄电池组；每个半桥模块的直流侧电压为U^*_SM，每个半桥模块的直流侧输出电压端为电能路由器的低压直流端；

其中，每个半桥结构由上下连接的两个IGBT管(管S₁、管S₂)组成，当位于上方的管S₁开通，位于下方的管S₂关断时，半桥模块SM串联在桥臂当中，电流流经直流侧蓄电池，此时半桥模块交流端ab输出电压为U_ab＝U^*_SM；当位于上方的管S₁关断，位于下方的管S₂开通时，半桥模块SM被旁路，此时半桥模块交流端输出电压为U_ab＝0；每相支路通过控制每个半桥模块中两个IGBT管的通断实现整桥臂输出电压U_arm从0～N*U^*_SM之间阶梯变化；

所述电能路由器还包括调制变压器，所述调制变压器的输入端与三相的桥臂中点连接，所述调制变压器的输出端为所述电能路由器的三相交流端；三相支路整流桥臂的公共直流侧输出电压端为电能路由器的高压直流端。

参见图4，半桥模块交流端输出的电压经过桥臂电感L_r滤波后，每个桥臂输出电压基波可以等效为一个受控电压源，通过预设调制方法控制上下桥臂输出电压，进而控制三相桥臂中点输出交流电压U_cabc＝2U_cABC，变压器作用是匹配电平，并且滤除交流侧输出电流谐波。在相同时刻，控制每一相上下两桥臂串入电路的SM模块数量为N，则公共高压直流母线电压始终保持在U_dc＝NU^*_SM。

为满足通信核心局微电网应用需求，将电能路由器(1)(2)(3)端子分别作为通信核心局微电网380V交流、-48V低压直流和336V高压直流母线。考虑到通信用电需求、电路压降和实际电池电压，本实施例中令每个桥臂的SM模块数量N＝6，子模块电压U^*_SM＝60V，公共直流母线电压在U_dc＝NU^*_SM＝360V。采用载波移相调制方法控制电能路由器内部各SM模块开关工作，设调制变压器的调制信号调制比为M，相位为ω₀t，则交流侧输出电压基波控制关系如下面公式一所示。通过调节调制比和相位，控制交流端子输出与市电同步的380V交流，满足并网和交流侧功率控制需求。通过控制SM模块中管子的开关状态，调整串入电路的SM模块的数量，及可实现交流侧、子模块直流侧和公共直流侧能量的交换。

在一种可选实施方式中，所述半桥模块的直流侧还设置有支撑电容。当实际电路线路较长时，所述支撑电容可以起到支撑电压的作用，且其相对于电池来说要便宜很多。

在一种可选实施方式中，上桥臂电感与下桥臂电感的电感值相同。

从上面的描述可知，本实用新型提供的电能路由器包含交流380V/220V，-48V低压直流和336V高压直流三条母线，可以实现不同母线间电压变换，提高各种电源、负载兼容性。

从上面的描述可知，本实用新型提供的电能路由器具有模块化，可扩展性高，高压直流、低压直流和交流之间能量可交换的优点，并且自带有三相交流、高压直流和低压直流端，适合通信微电网供电应用。

对于上面实施例提供的基于模块化多电平变流器MMC电能路由器，下面给出其交流侧数学模型及一种具体的控制方法。

MMC电能路由器数序模型主要包括交流输出模型和直流侧模型。根据上述原理阐述，首先忽略变压器影响，只考虑低压侧输出电压U_cABC，则MMC电能路由器单相等效电路如图5所示，图中U_x(x＝a,b,c)为市电三相交流电压，i_x(x＝a,b,c)为交流电流，每相桥臂子模块数目为N＝6，三相的上下桥臂输出电压分别为U_{px(x＝a,b,c)}和U_{nx(x＝a,b,c)}，上下桥臂电流分别为i_{x(x＝a,b,c)p}和i_{x(x＝a,b,c)n}，等效中性点为n。

根据基尔霍夫电压和电流定律可以分别得到公式二和公式三，公式中R为桥臂电感等效电阻。

i_px-i_nx＝i_x 公式三

将公式二和公式三整理，可以得到MMC电能路由器的交流等效模型为

其中桥臂输出电压为：

其中，交流模型单相等效电路如图6所示。

将电能路由器交流等效模型方程组乘以公式六所示变换矩阵，进行同步旋转坐标变换，即dq变换，并进行拉普拉斯变换后可得同步旋转坐标下电能路由器等效模型如公式七所示。

根据公式七设计MMC电能路由器交流侧控制方法如图7a所示，控制器设置解耦和前馈环节后简化控制框图如图7b所示，可见有功、无功相互独立，且被控对象模型相同，因此控制器可以采用相同的结构。其中G_id、G_iq分别为d、q轴电流控制器，电能路由器在主动功率控制工作模式时，根据微电网能量调度需求，给定有功和无功电流指令I_dref、I_qref，即可实现功率的主动控制；不需要功率主动控制时，反馈路由器交流侧输出电压后转化为dq坐标系下的电压反馈信号U_cd，将其和电压指令U_cdref进行比较后，采用电压控制器G_ud转化为电流控制指令，即可达到稳定交流母线电压的控制目的。

对于上面实施例提供的基于模块化多电平变流器MMC电能路由器，下面给出其直流侧数学模型及一种具体的控制方法。

MMC电能路由器工作时，同一相上下两个桥臂串入电路的子模块数量固定，公共直流母线电压衡为U_dc＝NU^*_SM，只要控制子模块电压在设定值，公共直流侧电压也会维持在设定值，因此路由器直流侧控制设计为代表直流侧总体电压的子模块电压平均控制和不同子模块电压的平衡控制。

子模块电压平均控制框图如图8所示。控制系统包括电压控制外环和电流控制内环，其中U^*_SM为子模块电压的设定值，为某一相上下桥臂子模块电压的平均值。由于子模块电压的平均值与流经同一相上下两桥臂的环流大小有直接关系，环流定义为i_zx＝1/2(i_px+i_nx)，x＝a，b，c，将子模块电压的平均值与设定电压的误差经过一个PI控制器G_PI(s)输出得到环流指令i^*_zx，与环流实际值i_zx作差，其误差输入电流内环比例控制器G_P1(s)，U_Ax为叠加到每个子模块上面的电压平均控制指令。G_1av(s)和G_2av(s)分别为电流内环和电压外环系统传递函数，根据环流回路电压方程、MMC电能路由器输出电压关系以及能量守恒可以推到得到传递函数表达式如公式八和公式九所示，其中N＝6。根据闭环控制框图设计PI和比例控制器，使子模块平均电压维持在标定值60V，即可将作为高压直流输出端子的公共直流母线电压维持在360V，满足高压直流通信负载供电需求；根据功率输出要求，微调参考电压U^*_SM，即可实现高压直流侧能量的主动控制功能，如高压直流侧蓄电池组充放电、交流市电断电时直流侧逆变供电等。

子模块电压平衡控制框图如图9所示，U_{SMj，j＝1～6}为某桥臂内各子模块直流侧电压，G_P2(s)为比例平衡控制器，U_Bj为输入到每个子模块的平衡电压控制信号，G_3in(s)为平衡控制环节的传递函数，根据子模块交直流侧功率平可以推到其表达式如公式十所示。

子模块电压平衡控制和子模块电压平均控制相对独立，满足叠加原理，反馈子模块电压与电压设定值比较的的误差，经过比例控制器调节后，产生平衡电压控制信号，叠加到电压平均控制指令，从而实现子模块电压平衡控制目的。控制公共直流母线电压保持在标定值的情况下，子模块电压平衡即可保证子模块电压的稳定，满足低压直流通信负载供电需求。正常交流市电供电情况下，子模块蓄电池组处于并联浮充状态，负载能量主要由市电提供，蓄电池组一方面作为直流侧滤波器，保证直流供电质量，另一方面，在市电波动或闪变时，通过路由器逆变工作补偿交流侧无功和谐波，从而稳定交流侧电压，提高供电质量；市电断电时，直流侧蓄电池组保证持续供电，并且通过路由器逆变工作，可以将直流能量转换为交流能量，给交流负载供电，保证交流侧供电稳定。

本实用新型另一实施例提供了一种微电网结构，参见图10，该微电网结构包括：380V/220V交流母线、336V直流母线、-48V直流母线以及至少一个如上面实施例所述的电能路由器；

其中，所述380V/220V交流母线与电能路由器的三相交流端连接，所述336V直流母线与电能路由器的高压直流端连接，所述-48V直流母线与电能路由器的低压直流端连接。

在一种可选实施方式中，所述微电网结构还包括：双向交直流电力电子变换器和双向直流变换器；

所述双向交直流电力电子变换器分别与380V/220V交流母线以及336V直流母线连接；

所述双向直流变换器分别与336V直流母线以及-48V直流母线连接。

在一种可选实施方式中，所述微电网结构还包括：交流市电接入模块、柴油发电机组模块、交流负载模块、高压直流负载模块、336V蓄电池组模块、低压直流负载模块和-48V蓄电池组模块；其中，所述交流市电接入模块、所述柴油发电机组模块、所述交流负载模块与380V交流母线连接；所述高压直流负载模块和所述336V蓄电池组模块与336V直流母线连接；所述低压直流负载模块和所述-48V蓄电池组模块与-48V直流母线连接。

在一种可选实施方式中，所述微电网结构还包括：光伏供电模块和风力供电模块，所述光伏供电模块和风力供电模块与336V直流母线连接。

基于电能路由器组网的通信核心局微电网结构如图10所示，采用电能路由器产生380V/220V交流母线，以及336V和-48V直流母线，设计初期选择足够大载流量的母线，后期负载增加时，只需增加电能路由器和相应配电屏即可满足扩容需求。由于电能路由器具有通信核心局配电网中3种电源种类接口，可以省去大量开关电源、整流器等电能变换设备，简化网络，降低损耗和投资运维成本；此外，不同电源之间能量能够进行交换，因此各母线上电源设备可以互为备份，可以有效提高电源设备利用率，大量减少相同种类电源备份，并且根据情况省去UPS电源，-48V蓄电池组由于电压低，电流大，电缆消耗多，也可以省去，但是为减小压降、就近供电，保证可靠性，也可以保留；由于电能路由器具有母线电压和主动能量控制功能，因此太阳能光伏发电、风力发电等新能源电源设备接入相应母线，由电能路由器内部控制器作为协同控制器即可实现新能源入网，不需要改变原有电源设备；市电引入除原有交流市电外，还可以将直流输电系统经直流换流设备降压后接入336V母线，根据经济指标灵活选择交流或直流市电引入，降低用电成本。

由上面描述可知，采用电能路由器组建的通信微电网可以实现功率在不同母线间的主动控制，提高电网可控性、灵活性提高，实现电能精确控制，改善电能质量。此外，采用电能路由器对电网中的各种分布式电源和负载进行管理，可以减少电能变换装置数量和电压变换级数，简化供配电系统，降低通信电源投资、建设、维护成本，减小损耗。进一步地，由于不同电源系统之间能量可以交换，互为备份，故可提高电源设备利用率和电网供电容量、可靠性、可扩展性，减少设备投资。进一步地，采用电能路由器对通信微电网进行网级控制，各种负载和电源设备协同控制，提高电网故障处理能力。进一步地，母线电压兼容性和功率控制灵活性，使光伏、风电等新能源接入技术、高压直流输电技术引入成本降低，根据经济指标灵活选择交流或直流市电引入，降低用电成本。

参见图11所示的基于电能路由器组网的通信核心局微电网结构的功能框图，电能路由器是整合多种分布式电源及储能单元，并使其与配电网协调配合、共同向负载供电的智能化电气连接装置。通信交直流混合微电网包括380V/220V交流母线，以及336V和-48V直流母线，其中交流220V母线通过引出380V中点获得，因此电能路由器应包含上述几种形式电气接口，并且为满足功率多种流向，电能路由器应含有双向交直流电力电子变换器以及双向直流变换器，由此可得功能框图如图11所示。图11中的(1)、(2)、(3)分别为380V交流、-48V直流、336V直流母线，(4)、(5)分别是双向交流/直流(AC/DC)和双向直流/直流(DC/DC)电力电子变流器，(6)是电能路由器控制单元，(7)并网开关。图11中虚框设备为采用电能路由器后可以引入的新型电源设备(直流配电系统、光伏发电、风力发电)，或者可以简化不再配置的现有电源设备(UPS电源、-48V蓄电池组)。通过控制单元内部传感器反馈三条母线电压电流信息，并根据设定的电能路由器工作模式、母线电压参数、电流和功率调度指令进行计算，产生符合控制要求的驱动脉冲控制双向AC/DC、DC/DC变换器工作，实现稳定母线电压、控制有功和无功在各条母线间的流动的功能，同时控制单元监控交、直流电网、电能路由器本体和并网电源、负载设备的工作状态，在电网内某节点异常或故障时，通过控制路由器有功、无功或给并网电源设备发送联动指令排除故障，电网故障无法排除时断开并网开关隔离故障，保证通信核心局微电网的安全运行。

参见图12所示的微电网结构中电能路由器的反馈控制框图。电能路由器各端子并接在相应母线上，其中-48V直流母线是和子模块数量对应的N条独立母线，控制电路从三条电压母线反馈交流侧端子三相电压U_cabc、电流I_cabc，公共直流母线电压U_dc、电流I_dc，各子模块直流侧电压信号U_SMxyj，(x＝a，b，c；y＝p，n；j＝1～6)后，通过信号调理和坐标变换生成上述控制方法中需要的各控制信号，将反馈控制信号和指令信号进行比较后送入控制器，控制器计算产生电能路由器主电路工作的驱动信号，电能路由器主电路根据稳压、主动能量控制等设定目标控制三条母线间能量的流动，满足并接在各母线上负载的供电需求和电源设备的接入需求。

可见，本实施例提供的微电网结构可以解决现有技术中存在的以下问题：不同电源和用电设备之间不兼容，需要大量电能变换装置，导致网络损耗大；不同种类电源之间能量不能交换，为保证通信可靠性，各类电源、各个供电节点需要设计备用单元，导致设备利用率不高，且投资高，系统冗杂；配电网工作于稳压模式，电网功率由负载决定，开环工作不能主动控制，调度灵活性低，节点故障时只能被动切除故障点；电网故障点多，运维成本高，可靠性差。现有配电网规模庞大，不同种类电源之间接口不兼容，能量单相流动，导致336V高压直流电源系统、光伏、风电等新能源系统等有助于响应国家节能减排战略目标的新兴电源技术的应用需要大量前期论证工作，设备入网需要变换单元接口，投资和运维成本增加，推广阻力大。

本实施例提供的微电网结构，采用了上述实施例所述的电能路由器，简化了现有的配电网，节省了设备投资和运维成本，降低了网损；实现了不同种类电源互联和可靠管理。此外，本实施例提供的微电网结构实现主动功率控制，提高系统灵活性、可靠性和可扩展性。进一步地，本实施例提供的微电网结构提高了新技术和现有电源设备兼容性，节省了技术升级带来的投资成本。

与现有技术相比，本实用新型针对通信核心局配电网供电需求，设计了MMC电能路由器，采用MMC电能路由器可以实现不同母线间电压变换和能量交换，通过其对电网中的各种分布式电源和负载进行管理，可以减少电能变换装置，简化供配电系统，降低通信电源投资、建设、维护成本，减小损耗；提高电网可控性、灵活性提高，实现电能精确控制；不同电源系统之间能量可以交换，互为备份，提高电源设备利用率和电网供电容量、可靠性、可扩展性，减少设备投资，根据经济指标灵活选择交流或直流市电引入，降低用电成本；兼容光伏、风电等新能源接入技术、高压直流技术，降等新技术应用成本。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。