交流電網(wǎng)用電能路由器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于同一交流電網(wǎng)中兩個交流電源節(jié)點的電能路由器，即有功 功率交換裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著智能電網(wǎng)和能源互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，電能路由器，即能實現(xiàn)不同交流電源節(jié) 點的電能(有功功率)交換的電力電子裝置需求日益廣泛?，F(xiàn)有的電能路由器主要采用AC/ DC+DC/AC兩級變換的方案實現(xiàn)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(jié)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(jié)點，如圖1所示。例如，發(fā)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(jié)點的全部高電壓；而兩級電能變換環(huán)節(jié)的存在也會增加系統(tǒng)損壞，降低電能交換 的效率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有的電能路由器技術(shù)電能變換環(huán)節(jié)多、變流器承受電壓 高的缺點，提出一種用于同一交流電網(wǎng)中兩個交流電源節(jié)點的電能路由器。
[0005] 本發(fā)明電能路由器連接同一電網(wǎng)中電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節(jié) 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(lián)連接在兩個交流電源節(jié)點之間。所述的單相電壓源變流器產(chǎn)生的交流輸 出電壓u。與第一交流電源節(jié)點電壓u sl和第二交流電源節(jié)點電壓us2的相位始終超前或滯后 90°，且頻率相同。通過調(diào)整所述單相電壓源變流器交流輸出電壓u。的幅值，即可調(diào)整兩個 交流電源節(jié)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(jié)點的電壓幅值，P_hange3_rrf為兩個交流電源節(jié)點需要交 換的有功功率參考值，ω為交流節(jié)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(jié)點電壓Usl和第二交流電源節(jié)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(jié) 點電壓u sl和第二交流電源節(jié)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(fā)出的有功功率為零。同時，第一交流電源節(jié) 點電壓u sl的幅值和第二交流電源節(jié)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(jié)點之間只交換有功功率，功率因數(shù)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(jié)點之間的電壓差，無需 承受兩個交流電網(wǎng)節(jié)點的相電壓，采用低壓的電氣元件即可實現(xiàn)。相比于電能路由器現(xiàn)有 的AC/DC+DC/AC兩級變換的方案，本發(fā)明只需一級變流器即可實現(xiàn)兩個交流電源節(jié)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(xiàn)有實現(xiàn)方案；
[0011] 圖2為本發(fā)明交流電網(wǎng)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(fā)明交流電網(wǎng)用電能路由器的計算 機仿真結(jié)果。
【具體實施方式】
[0014] 以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0015] 圖2為本發(fā)明交流電網(wǎng)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(fā)明交流 電網(wǎng)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(jié)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(jié)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(guān)S1-S4組成，第一開關(guān)Sl與第二開關(guān)S2的公共 連接點作為交流輸出端VI，第三開關(guān)S3與第四開關(guān)S4的公共連接點作為交流輸出端V2,第 一開關(guān)Sl和第三開關(guān)S3的集電極連接到電容的正極P，第二開關(guān)S2和第四開關(guān)S4的發(fā)射極 連接到電容的負極N，如圖3所示。
[0016] 本發(fā)明交流電網(wǎng)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(jié)點電壓usl和第二交流電源節(jié)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(jié)點電壓和第二交流電源節(jié)點電壓的幅值， 為第一交流電源節(jié)點和第二交流電源節(jié)點需要交換的有功功率參考值，ω為交 流節(jié)點電壓的角頻率，L為電抗器的電感值。
[0019] 本發(fā)明連接的兩個單相IOkV交流電網(wǎng)的電能路由器仿真模型參數(shù)如下： 第一交流電源節(jié)點電壓有效值： 10 kv 第二交流電源節(jié)點電壓有效值： IOkV 兩個交流電源節(jié)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(diào)制方法： SPWM: 單相電壓源變流器開關(guān)頻率； 10 kHz
[0021]圖4為采用本發(fā)明所述交流電網(wǎng)用電能路由器控制方法時的計算機仿真結(jié)果。由 仿真結(jié)果可見，兩個交流電源節(jié)點之間流通的電流i與兩個交流電源節(jié)點電壓相位幾乎完 全一致，即兩個交流電源節(jié)點沒有無功功率產(chǎn)生。另外，根據(jù)本發(fā)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(jié)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(jié)果可見，i的有效值為40.5A， 即兩個交流電源節(jié)點交換的有功功率為40.5AX10kV = 405kW，與理論計算結(jié)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(jié)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(jié)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(yīng)力均較小。
【主權(quán)項】
1. 一種交流電網(wǎng)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(lián)連接在電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節(jié)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(jié)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(jié)點電壓u s2的連接點G2連接。2. 如權(quán)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(chǎn)生的交流 輸出電壓u。與第一交流電源節(jié)點電壓usl和第二交流電源節(jié)點電壓u s2的相位始終超前或滯 后90°，且頻率相同；通過調(diào)整單相電壓源變流器交流輸出電壓u。的幅值，調(diào)整兩個交流電 源節(jié)點之間交換的有功功率大小。3. 如權(quán)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(jié)點的電壓幅值，P_hange3_rrf為兩個交流電源節(jié)點需要交換的 有功功率參考值，ω為交流電源節(jié)點電壓的角頻率，L為電抗器的電感值。4. 如權(quán)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(jié)點電壓usl和第 二交流電源節(jié)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(jié)點電壓u sl和第二交流電源節(jié)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(fā)出的有功功率為零； 同時，第一交流電源節(jié)點電壓usl和第二交流電源節(jié)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(jié)點之間只交換有功功率，功率因數(shù)為1。5. 如權(quán)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(jié)點 之間的電壓差，無需承受兩個交流電網(wǎng)節(jié)點的相電壓，采用低壓的電氣元件即可實現(xiàn)。
【專利摘要】一種交流電網(wǎng)用電能路由器，連接同一電網(wǎng)中電壓幅值相等、相位相同的兩個交流電源節(jié)點。第一交流電網(wǎng)節(jié)點與第二交流電網(wǎng)節(jié)點之間串聯(lián)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(jié)點電壓相差90°，通過調(diào)節(jié)其幅值即可調(diào)節(jié)所連接的兩個交流電源節(jié)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(jié)點電壓的低壓電氣元件即可實現(xiàn)。該電能路由器既適用于單相系統(tǒng)，也適用于三相系統(tǒng)。
【IPC分類】H02M5/293, H02J3/06
【公開號】CN105610167
【申請?zhí)枴緾N201610007125
【發(fā)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