电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑

摘要

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，具体包括储能换流器模块、可切换半桥模块、逆变模块、交直流切换模块和公共交流滤波器。电力电子变压器低压直流侧设有交流端口和电动汽车充放电端口，通过低压直流母线上多个可切换半桥模块与交直流切换模块配合，实现交流容量与电动汽车直流充电容量的切换。根据交流负载和充电电动汽车数决定工作于交流或直流模式的可切换半桥模块数，最优化电力电子变压器利用率；本发明具有电动汽车向电网反向输送电能的能力，可增强电网稳定性，保障负载供电可靠性，减少储能配置容量。

权利要求

1.电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于：包括储能换流器模块、可切换半桥模块、逆变模块、交直流切换模块和公共交流滤波器；

所述储能换流器模块为单相半桥结构，其直流输出端与直流母线连接；

所述可切换半桥模块为三相半桥结构；

所述逆变模块为三相半桥结构，其交流输出端通过串联电感与公共交流滤波器连接，整个电力电子变压器低压直流侧拓扑包含一个逆变模块；

所述交直流切换模块为三相结构，每相包含P1、P2、P3三个端子、一个可切换半桥模块侧电感、一个单刀双掷开关S1、一个LCL滤波器；所述P1、P2、P3三个端子，P1与一个可切换半桥模块连接，P2与公共交流滤波器连接，P3为一个电动汽车充电接口；

所述单刀双掷开关S1包含三个端子Sp1、Sp2、Sp3，Sp1通过串联可切换半桥模块侧电感与P1连接，Sp2与P2连接，Sp3通过串联LCL滤波器与P3连接；

所述公共交流滤波器为三相LCL滤波器结构，每相包含P4、P5两个端子；P4与逆变模块和交直流切换模块P2端子连接，P5与低压交流电网连接。

2.根据权利要求1所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述逆变模块的容量Sr应配置为低压交流侧负荷平均日最低功率。

3.根据权利要求1所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述可切换半桥模块单个模块的容量Sc等于三倍的电动汽车最大直流充电功率。

4.根据权利要求1所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述可切换半桥模块的数量N根据单个可切换半桥模块容量Sc、逆变模块容量Sr和整个变压器容量Sn决定：N＝(Sn-Sr)÷Sc，整个变压器容量Sn根据运行最大功率和容量冗余综合决定。

5.根据权利要求4所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述可切换半桥模块有以下三种运行方式：(1)将全部可切换半桥模块投入到交流输出，电力电子变压器最大交流输出容量Sacm＝N×Sc+Sr；(2)将可切换半桥模块全部投入到直流模式为电动汽车直流充电，最大直流容量Sdcm＝N×Sc；(3)一部分可切换半桥模块投入至交流输出，一部分投入至直流模式，此时的交流容量Sac与此时的直流容量Sdc关系为Sdc＝N×Sc-Sac+Sr。

6.根据权利要求1所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述储能换流器模块最低储能容量Esm＝En-N×Sbatt，其中En为保证供电可靠性和增强电网稳定性所需要的储能容量，Sbatt为连接在单个可切换半桥模块上的电动汽车电池能量，N为可切换半桥模块的数量。

7.根据权利要求1所述电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于，所述可切换半桥模块侧电感L1为交直流切换模块的LCL滤波器和公共交流滤波器的共用电感，其参数设计的方法为：若保证P3的直流电能纹波大小符合工程应用要求，可切换半桥模块中的LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小需为Ldcf；若保证公共交流滤波器输出的交流电能谐波大小符合用应用要求，公共交流滤波器LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小需为Lacf；

其中，L1为交直流切换模块P1与Sp1之间的电感，L2为可切换半桥模块的LCL滤波器中，单刀双掷开关触点Sp3侧电感，电感L3为公共交流滤波器端子P4侧电感。

说明书

电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑

技术领域

[0001] 本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑。

背景技术

[0002] 电力电子变压器，是具有电压变换、无功补偿、不平衡控制、电能质量治理等功能的电力电子装置。电力电子变压器主要包括高压侧、中间级、低压侧三部分。高压侧负责将高压工频交流转换为高压高频交流，中间级负责电压变换，低压侧负责将低压高频交流转换为低压工频交流。其中低压侧往往采用AC/DC/AC结构，高频交流先整流滤波为直流再逆变为交流，因此，此类电力电子变压器具有低压直流母线，若加以改进在低压直流母线上设置DC/DC环节，可方便的实现可控低压直流输出。与此同时，电力电子变压器有望广泛用于配电网，配电网与居住区、写字楼等人口密集、电动汽车数目多、供电可靠性要求较高的区域结合紧密，这使得电力电子变压器能够与电动汽车、储能结合，不仅具有电压变换等基本功能，还能在方便电动汽车充电的同时，具有增强电网稳定性、保障用户供电可靠性等功能。

[0003] 随着时代的进步，科技的发展，电动汽车数目与日俱增。一方面，如何保证较快的充电速度与较低的充电站建设成本是电动汽车发展的要求；另一方面，随着电动汽车的高渗透率应用，如何将电动汽车接入电网，反向输送能量，解决用电高峰期电能不足、保证供电可靠性是合理利用电动汽车资源的要求。

[0004] 第一个要求与电动汽车充电模式紧密相关。电动汽车充电分为交流充电与直流充电。交流充电将交流电输送到汽车内部，通过车载充电设备变换为直流电后给电池使用。交流充电桩没有复杂的换流器，成本低。但车载充电机功率小，交流充电速度较慢。直流充电则是通过充电桩内部的换流设备将交流电转换为直流电后输送给电动汽车，因此功率大、速度快。直流充电桩相对于交流充电桩，内部增加了AC/DC、DC/DC环节，建设成本高。电力电子变压器由于具有低压直流母线，若在低压直流母线上设置DC/DC换流器，即可具备电动汽车直流充电能力，可省去直流充电桩中的AC/DC环节。因此，在电力电子变压器基础上设置电动汽车直流充电接口，能大大降低电动汽车直流充电站建设成本，同时不影响充电速度。

[0005] 电动汽车反向接入电网输送能量，接入点的选择很重要。电能反向输送到变压器节点，能够经济、有效地分配到电力缺乏区域。用于配电网的电力电子变压器，其本身就是一个变压器节点，此外，与储能结合的电力电子变压器已得到广泛研究，其他形式的储能能够弥补电动汽车作为储能的容量不确定性，电动汽车能够减少其他储能容量。因此，在电力电子变压器上实现电动汽车反向接入电网输送能量，很有价值。

[0006] 电动汽车与电力电子变压器结合，必然导致电力电子变压器产生一部分直流容量。在电动汽车充电低谷，这部分容量被浪费，往往这时候正是白天用电高峰期；在电动汽车充电高峰期，往往是夜晚用电低谷。如果直流容量与交流容量能够相互切换，必然对提高电力电子变压器利用率具有十分重要的意义。

[0007] 传统的电力电子变压器拓扑，不具有电动汽车直流充放电端口，也没有直流容量与交流容量可切换技术，所以，在电力电子变压器中增加电动汽车充放电功能并赋予交直流容量切换能力，对电力电子变压器的应用、电动汽车的发展都具有十分重要的意义。

发明内容

[0008] 为了解决上述问题，本发明提出一种电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，其特征在于：包括储能换流器模块、可切换半桥模块、逆变模块、交直流切换模块和公共交流滤波器；

[0009] 所述储能换流器模块为单相半桥结构，其直流输出端与直流母线连接；

[0010] 所述可切换半桥模块为三相半桥结构；

[0011] 所述逆变模块为三相半桥结构，其交流输出端通过串联电感与公共交流滤波器连接，整个电力电子变压器低压直流侧拓扑包含一个逆变模块；

[0012] 所述交直流切换模块为三相结构，每相包含P1、P2、P3三个端子、一个可切换半桥模块侧电感、一个单刀双掷开关S1、一个LCL滤波器；

[0013] 所述P1、P2、P3三个端子，P1与一个可切换半桥模块连接，P2与公共交流滤波器连接，P3为一个电动汽车充电接口；

[0014] 所述单刀双掷开关S1包含三个端子Sp1、Sp2、Sp3，Sp1通过串联可切换半桥模块侧电感与P1连接，Sp2与P2连接，Sp3通过串联LCL滤波器与P3连接；

[0015] 所述公共交流滤波器为三相LCL滤波器结构，每相包含P4、P5两个端子；P4与逆变模块和交直流切换模块P2端子连接，P5与低压交流电网连接。

[0016] 所述逆变模块的容量Sr应配置为低压交流侧负荷平均日最低功率。

[0017] 所述可切换半桥模块单个模块的容量Sc等于三倍的电动汽车最大直流充电功率。

[0018] 所述可切换半桥模块的数量N根据单个可切换半桥模块容量Sc、逆变模块容量Sr和整个变压器容量Sn决定：N＝(Sn-Sr)÷Sc，整个变压器容量Sn根据运行最大功率和容量冗余综合决定。

[0019] 所述可切换半桥模块有以下三种运行方式：(1)将全部可切换半桥模块投入到交流输出，电力电子变压器最大交流输出容量Sacm＝N×Sc+Sr；(2)将可切换半桥模块全部投入到直流模式为电动汽车直流充电，最大直流容量Sdcm＝N×Sc；(3)一部分可切换半桥模块投入至交流输出，一部分投入至直流模式，此时的交流容量Sac与此时的直流容量Sdc关系为Sdc＝N×Sc-Sac+Sr。

[0020] 所述储能模块最低储能容量Esm＝En-N×Sbatt，其中En为保证供电可靠性和增强电网稳定性所需要的储能容量，Sbatt为连接在单个可切换半桥模块上的电动汽车电池能量，N为可切换半桥模块的数量。

[0021] 所述可切换半桥模块侧电感L1为交直流切换模块的LCL滤波器和公共交流滤波器的共用电感，其参数设计的方法为：若保证P3的直流电能纹波大小符合工程应用要求，LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小需为Ldcf；若保证公共交流滤波器输出的交流电能谐波大小符合用应用要求，LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小需为Lacf；

[0022]

[0023] 其中，L1为交直流切换模块P1与Sp1之间的电感，L2为可切换半桥模块的LCL滤波器中，单刀双掷开关触点Sp3侧电感，电感L3为公共交流滤波器端子P4侧电感。

[0024] 有益效果

[0025] 本发明的电力电子变压器拓扑具有电力电子变压器为电动汽车直流充电的功能，同时将电动汽车电能反向输送至电网，减少其他储能配置容量；电动汽车配合其他储能设备，以提高电网稳定性，保障负荷供电可靠性；在电力电子变压器中加入交直流容量切换功能，解决电动汽车充放电换流器占有的直流容量与电力电子变压器交流逆变器容量不能切换，使得电力电子变压器容量利用率不高的问题。由于电力电子变压器有现成的低压直流母线，因此依托电力电子变压器低压直流母线设立电动汽车充电端口，减少电动汽车充电站建设的成本；共用的滤波电感L1可以减少滤波电感成本。

附图说明

[0026] 图1为电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑原理框图。

[0027] 图2为储能换流器模块原理框图。

[0028] 图3为可切换半桥模块原理框图。

[0029] 图4为逆变模块原理框图。

[0030] 图5为交直流切换模块原理框图。

[0031] 图6为公共交流滤波器原理框图。

[0032] 图7为某地区日负荷曲线图。

[0033] 以上的图中有：储能换流器模块上桥臂IGBT集电极C5，下桥臂IGBT发射极E6，储能电池B1，可切换半桥模块上下桥臂中点PIO1，上桥臂IGBT集电极C1，下桥臂IGBT发射极E2，逆变模块上桥臂IGBT集电极C3，下桥臂IGBT发射极E4，交直流切换模块的单刀双掷开关S1，单刀双掷开关的固定极Sp1，两触点Sp2、Sp3，三个端子P1、P2、P3，可切换半桥模块侧电感L1，可切换半桥模块LCL滤波器中，单刀双掷开关触点Sp3侧电感L2，电动汽车电池BATT，负直流母线端子DC-，公共交流滤波器的端子P4、P5和端子P4侧电感L3。

具体实施方式

[0034] 本发明提出了一种电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑。如图1所示，本发明电力电子变压器交直流容量可切换的低压直流侧拓扑，包括储能换流器模块、可切换半桥模块、逆变模块、交直流切换模块和公共交流滤波器；电力电子变压器高压侧将工频交流变换为高频交流通过中间级进行电压变换，整流滤波后输入低压侧直流母线输入端口；如图2所示，储能换流器模块为单相DC/DC结构，储能电池B1正极通过串联电感和限流电阻连接到上下桥臂中点，两个端子C5、E6分别与正、负直流母线连接；如图3所示，所述可切换半桥模块为三相半桥，其直流侧端子C1、E2与正、负直流母线连接，上下桥臂中点PIO1与交直流切换模块相连；如图4所示，逆变模块为三相半桥结构，其直流侧端子C3、E4与正、负直流母线连接，上下桥臂中点通过串联电感与公共交流滤波器连接，整个拓扑包含一个逆变模块；如图5所示，交直流切换模块为三相结构，每相包含三个端子P1、P2、P3，一个可切换半桥模块侧电感，一个单刀双掷开关S1，一个LCL滤波器；所述三个端子P1、P2、P3，P1与一个可切换半桥模块连接，P2与公共交流滤波器连接，P3为一个电动汽车充电接口；单刀双掷开关包含三个端子Sp1、Sp2、Sp3，Sp1串联可切换半桥模块侧电感与P1连接，Sp2与P2连接，Sp3串联LCL滤波器与P3连接；如图6所示，所述公共交流滤波器为三相LCL滤波器，端子P4与交直流切换模块和逆变模块连接，端子P5与电网相连。

[0035] 电力电子变压器应用于电动汽车渗透率较高的配电网时，在电动汽车充电低谷，往往正是白天用电高峰期；在电动汽车充电高峰期，往往是夜晚用电低谷。本发明拓扑能够通过交直流切换模块使可切换半桥模块工作于DC/DC或DC/AC模式，实现交直流容量的切换，对提高电力电子变压器利用率具有十分重要的意义。

[0036] 为了尽可能多的实现交直流容量的可切换性，逆变模块容量Sn应配置为低压交流侧负荷平均日最低功率。交流负载增加时，功率应由可切换半桥模块补偿，交流负载减少时剩余的交流功率应根据电动汽车充电需求考虑，将多余的或者停止为部分电动汽车充电得到的可切换半桥模块通过交直流切换模块切换至直流工作模式，每个可切换半桥模块+交直流切换模块组合可提供3个电动汽车直流充放电接口。

[0037] 本发明拓扑中，单个可切换半桥模块容量Sc等于电动汽车最大充电功率，可切换半桥模块数N根据单个可切换半桥模块容量Sc、逆变模块容量Sr和整个变压器容量Sn决定：N＝(Sn-Sr)÷Sc，整个变压器容量Sn根据运行过程中可能的最大功率和容量冗余综合决定。当可切换半桥模块数为N，每个可切换半桥模块容量为Sc，逆变模块容量为Sr时，若将全部可切换半桥模块投入到交流输出，可得电力电子变压器最大交流输出容量Sacm＝N×Sc+Sr；若将可切换半桥模块全部投入到直流模式为电动汽车直流充电，则最大直流容量Sdcm＝N×Sc；若一部分可切换半桥模块投入至交流输出，一部分投入至直流模式，则此时的交流容量Sac与此时的直流容量Sdc关系为Sdc＝N×Sc-Sac+Sr。

[0038] 电力电子变压器用作配电变压器，所属区域往往有供电可靠性要求较高的负荷，因此常常在变压器中配置储能。本发明采用的可切换半桥模块由于具有双向DC/DC变换功能，可以将电动汽车电池能量反向输送至电网或交流负载，在增强电网稳定性和交流负载供电可靠性的同时，可以减少其他储能配置容量。若保证供电可靠性和增强电网稳定性所需要的储能容量为En，可切换半桥模块数为N，连接在单个可切换半桥模块上的电动汽车电池能量为Sbatt，则其他储能最低容量应配置为Esm＝En-N×Sbatt。

[0039] 采用本发明拓扑可以节省交流滤波器电感与直流滤波器电感的成本。交直流切换模块中，可切换半桥模块侧电感L1实则为交直流切换模块的LCL滤波器和公共交流滤波器的共用电感，参数设计需要按以下方法：根据实际应用情况，可求得使P3输出的直流电能纹波符合工程应用要求所需的LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小为Ldcf，可求得使P5输出的交流电能谐波大小符合工程应用要求所需的LCL型滤波器的换流器侧滤波电感大小为Lacf，则：

[0040]

[0041] 其中，L1为交直流切换模块P1与Sp1之间的电感，L2为可切换半桥模块的LCL滤波器中，单刀双掷开关触点Sp3侧电感，电感L3为公共交流滤波器端子P4侧电感；

[0042] 由上述原理可知，共用的滤波电感L1可以减少滤波电感成本。

[0043] 以下是本专利拓扑容量配置的案例说明：

[0044] 图7所示是某地区日负荷曲线，其中“新电网负荷曲线”是原电网负荷(基础负荷)叠加了电动汽车负荷后得到的，电动汽车未采用有序充电。图7的电动汽车负荷曲线是电动汽车采用交流充电桩充电的负荷曲线。从图7可看出，电动汽车负荷峰值约为100kW，原电网负荷峰值约为600kW，新电网负荷峰值约为650kW。

[0045] 为了提高充电速度以及实现电动汽车反向输送能量至电网，现假设充电桩全部采用直流充电桩且不考虑功率冗余，则不采用交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑时，需要交流容量600kW，直流容量100kW，总容量700kW以满足新电网负荷峰值要求；若采用交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑，则需交流容量260kW以满足原电网负荷谷值，需交直流可切换容量390kW使之加上交流容量可满足新电网负荷峰值，变压器总容量为650kW，节省变压器容量7.1％。若考虑电动汽车有序充电，能将电动汽车负荷峰值时刻与原电网负荷峰值时刻分开，有利在采用于本专利拓扑时进一步降低变压器容量。

[0046] 直流充电机充电功率约为交流充电桩充电功率的5倍。未采用交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑时，直流容量取100kW与交流充电桩容量相同，不能体现出直流充电机的快速性；若采用交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑，可提高电动汽车充电最大容量至390kW，虽然多出的290kW容量并不是随时可用的，但在夜间，可保证多出约300kW容量，有利于使用分时电价、有序充电策略使电动汽车负荷向夜间转移，使电动汽车充电峰值时刻与原电网负荷峰值时刻错开；在其他大部分时间段内，可以保证多出100-150kW容量，有利于提高充电速度。如果单台直流充电机功率为15kW，则可切换半桥模块数(每个可切换半桥模块可提供3台充电机)N＝390÷(15×3)≈9。

[0047] 该区域不采用交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑时，需要储能容量300kW·h。在采用了交直流容量可切换的电力电子变压器低压直流侧拓扑后，任何一辆接在充电桩上的电动汽车都可以将其电池能量反向输送至电网。交流负荷最大时对储能容量要求最高，此时处于DC/DC状态的交直流可切换模块容量也有150kW，有10个电动汽车充电接口可用。若接口上一直连接有电动汽车，则此时有10辆电动汽车可以实现反向输送能量至电网。动汽车电池的容量一般在25kW·h左右，且刚开始充电时，电动汽车电池能量一般不会低于30％，即7.5kW·h，由此可以减少储能容量为7.5×10＝75kW·h，节省储能容量25％。

[0048] 需要说明的是，上述实施方式仅为本发明较佳的实施方案，不能将其理解为对本发明保护范围的限制，在未脱离本发明构思前提下，对本发明所做的任何微小变化与修饰均属于本发明的保护范围。