一种交流电网用电能路由器，连接同一电网中电压幅值相等、相位相同的两个交流电源节点。第一交流电网节点与第二交流电网节点之间串联连接一台单相电压源变流器和一个电感。所述单相电压源变流器输出电压的相位与交流电源节点电压相差90°，通过调节其幅值即可调节所连接的两个交流电源节点之间交换有功功率的大小。该电能路由器中的变流器采用远低于交流节点电压的低压电气元件即可实现。该电能路由器既适用于单相系统，也适用于三相系统。
1.一种交流电网用电能路由器，包括一台单相电压源变流器和一台电感器L，所述的单相电压源换流器和电感器L串联连接在电压幅值相等、相位相同的两个交流电源节点之间，其特征在于：单相电压源换流器的第一交流输出端V1与第一交流电源节点电压us1的连接点G1连接，单相电压源换流器的第二交流输出端V2与电感器的第一输出端T1连接，电感器的第二输出端T2与第二交流电源节点电压us2的连接点G2连接；
所述的单相电压源变流器产生的交流输出电压uc与第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2的相位始终超前或滞后90°，且频率相同；通过调整单相电压源变流器交流输出电压uc的幅值，调整两个交流电源节点之间交换的有功功率大小。
2.如权利要求1所述的电能路由器，其特征在于：所述的单相电压源变流器交流输出电压uc的幅值Uc由下式计算得到：Uc＝2ω×L×Pexchange_ref/U12
其中，U12为两个交流电源节点的电压幅值，Pexchange_ref为两个交流电源节点需要交换的有功功率参考值，ω为交流电源节点电压的角频率，L为电抗器的电感值。
3.如权利要求1所述的电能路由器，其特征在于：所述的第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2的幅值相等、相位相同，而单相电压源变流器交流输出电压uc与电感两端电压uL之和为第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2之差，即为0V；
因此，单相电压源变流器交流输出电压uc和电感两端电压uL幅值相等、相位相反；又因为，流过电感L的交流电流i与电感电压uL相位必然相差90°，而单相电压源变流器交流输出电压uc与流过的交流电流i相位也相差90°，因此，单相电压源变流器吸收或发出的有功功率为零；
同时，第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2的幅值与流过两者之间的交流电流i相位相同或相差180°，即两个交流电源节点之间只交换有功功率，功率因数为1。
交流电网用电能路由器
技术领域
[0001] 本发明涉及一种应用于同一交流电网中两个交流电源节点的电能路由器，即有功功率交换装置。
背景技术
[0002] 随着智能电网和能源互联网技术的发展，电能路由器，即能实现不同交流电源节点的电能(有功功率)交换的电力电子装置需求日益广泛。现有的电能路由器主要采用AC/DC+DC/AC两级变换的方案实现有功功率的交换，即先通过一台AC/DC变流器将一个交流电源节点的交流电变换成直流电，然后再通过另外一台DC/AC变流器将直流电变换成交流电并送给另外一个交流电源节点，如图1所示。例如，发明专利CN201310156292、CN201410236502、CN201510162289、CN201510253119等都采用了AC/DC+DC/AC两级变换的方案。
[0003] 但是，这种采用AC/DC+DC/AC两级变换的方案中，AC/DC或DC/AC变流器需要承受交流电源节点的全部高电压；而两级电能变换环节的存在也会增加系统损坏，降低电能交换的效率。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于克服现有的电能路由器技术电能变换环节多、变流器承受电压高的缺点，提出一种用于同一交流电网中两个交流电源节点的电能路由器。
[0005] 本发明电能路由器连接同一电网中电压幅值相等、相位相同的两个交流电源节点，所述的电能路由器包括一台单相电压源变流器和一台电感器。所述的单相电压源换流器和电感器L串联连接在两个交流电源节点之间。所述的单相电压源变流器产生的交流输出电压uc与第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2的相位始终超前或滞后90°，且频率相同。通过调整所述单相电压源变流器交流输出电压uc的幅值，即可调整两个交流电源节点之间交换的有功功率大小。单相电压源变流器交流输出电压uc的幅值Uc由下式计算得到：
[0006] Uc＝2ω×L×Pexchange_ref/U12
[0007] 其中，U12为两个交流电源节点的电压幅值，Pexchange_ref为两个交流电源节点需要交换的有功功率参考值，ω为交流节点电压的角频率，L为电感器的电感值。
[0008] 由于第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2幅值相等、相位相同，而所述单相电压源变流器的交流输出电压uc与电感器两端的电压uL之和为第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2之差，即为0V。因此，单相电压源变流器的交流输出电压uc和电感器两端的电压uL幅值相等、相位相反。又因为，流过电感器L的交流电流i与电感电压uL相位必然相差90°，而单相电压源变流器的交流输出电压uc与流过的交流电流i相位也相差90°。因此，单相电压源变流器吸收或发出的有功功率为零。同时，第一交流电源节点电压us1的幅值和第二交流电源节点电压us2的幅值与流过两者之间的交流电流i相位相同或相差180°，即两个交流电源节点之间只交换有功功率，功率因数为1。
[0009] 另外，所述的电能路由器中的变流器只需承受两个交流节点之间的电压差，无需承受两个交流电网节点的相电压，采用低压的电气元件即可实现。相比于电能路由器现有的AC/DC+DC/AC两级变换的方案，本发明只需一级变流器即可实现两个交流电源节点的有功功率交换，可以较少损耗，提高电能交换的效率。
附图说明
[0010] 图1为电能路由器的现有实现方案；
[0011] 图2为本发明交流电网用电能路由器的电路原理图；
[0012] 图3为单相电压源变流器的一种具体电路拓扑；
[0013] 图4为采用图3所示的单相电压源变流器时，本发明交流电网用电能路由器的计算机仿真结果。
具体实施方式
[0014] 以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
[0015] 图2为本发明交流电网用电能路由器的电路原理图，图3为单相电压源变流器的一种具体电路拓扑，即单相全桥变流器。当采用图3所示的单相电压源变流器时，本发明交流电网用电能路由器的具体连接方式为：单相电压源换流器的第一交流输出端V1与第一交流电源节点电压us1的连接点G1连接，单相电压源换流器的第二交流输出端V2与电感器的第一输出端T1连接，电感器的第二输出端T2与第二交流电源节点电压us2的连接点G2连接，如图2所示。单相电压源变流器由电容C和四个开关S1-S4组成，第一开关S1与第二开关S2的公共连接点作为交流输出端V1，第三开关S3与第四开关S4的公共连接点作为交流输出端V2，第一开关S1和第三开关S3的集电极连接到电容的正极P，第二开关S2和第四开关S4的发射极连接到电容的负极N，如图3所示。
[0016] 本发明交流电网用电能路由器中，单相电压源变流器交流输出电压uc与第一交流电源节点电压us1和第二交流电源节点电压us2的相位始终超前或滞后90°，且频率相同。所述单相电压源变流器交流输出电压uc的幅值Uc由下式计算得到：
[0017] Uc＝2ω×L×Pexchange_ref/U12
[0018] 其中，U12为两个第一交流电源节点电压和第二交流电源节点电压的幅值，Pexchange_ref为第一交流电源节点和第二交流电源节点需要交换的有功功率参考值，ω为交流节点电压的角频率，L为电抗器的电感值。
[0019] 本发明连接的两个单相10kV交流电网的电能路由器仿真模型参数如下：
[0020]
[0021] 图4为采用本发明所述交流电网用电能路由器控制方法时的计算机仿真结果。由仿真结果可见，两个交流电源节点之间流通的电流i与两个交流电源节点电压相位几乎完全一致，即两个交流电源节点没有无功功率产生。另外，根据本发明所述的电压源变流器交流输出电压uc的幅值确定公式可以计算得到两个交流电源节点交换的有功功率为：Pexchange_ref＝U12×Uc/(2ωL)＝405.08kW。而由图4中的仿真结果可见，i的有效值为40.5A，即两个交流电源节点交换的有功功率为40.5A×10kV＝405kW，与理论计算结果一致，也验证了所述方法的正确性。
[0022] 同时，对于其中的单相电压源变流器来说，其视在功率只有360V÷1.414×40.5A＝10.311kVA，远远小于两个交流电源节点交换的功率405kW。同时，由于单相电压源变流器中的电容电压只有600V，也远低于两个交流电源节点电压10kV。因此，单相交流电压源变流器中的电气元件的电压、功率应力均较小。
