[发明专利]一种基于矩阵变换器的电能路由器及电能路由方法

说明书

本发明实施例公开了一种基于矩阵变换器的电能路由器及电能路由方法，基于三相和单相矩阵变换器式智能变压器，构建的多端口、即插即用的电能路由器，三相矩阵变换器式智能变压器可对接电压等级不同的三相交流电网或负载；单相矩阵变换器式智能变压器，既可输出单相交流，又可输出直流，加之双向功率流的特性，使其可对接单相交流和直流分布式电源、储能设备或负载，其统一的变换器结构简化了系统电路和控制设计；矩阵变换器使电能路由器的所有接口为全单级式功率变换而不需要大容量的母线电容，有助于减小电能路由器的体积，并提高效率和可靠性；高频隔离变压器组成电能路由器的高频交流母线，可进一步减小无源器件参数和体积。

技术领域

本发明实施例涉及电力系统电力电子装备技术领域，具体涉及一种基于矩阵变换器的电能路由器及电能路由方法。

背景技术

电能路由器作为构建能源互联网的关键设备之一，可互联不同电压等级的输电网、配电网，不仅具备基本的电压变换功能，为电网、分布式电源、储能设备、负荷提供即插即用接口，还具备电气隔离、电能质量控制、能量双向流动等功能。可再生能源发电由于其间歇性和波动性的特点不适于自发自用的供电系统，通过电能路由器可并入能源互联网，实现消纳和高效利用。

电力电子变换器是电能路由器功率结构的基础，电能路由器包含多个分布式电源、储能、负载端口，各个端口之间的电压等级相差较大，如10kV中压电网交流端口、380V三相交流端口、220V单相交流端口和400V直流端口等。为了保障设备安全和操作人员人身安全，一般需要在不同电压等级端口之间采取电气隔离。工作频率高、体积小、重量轻、控制灵活的高频智能变压器成为其关键部件。

国内外已对多种电能路由器拓扑开展了研究，如基于级联H桥、三电平中点钳位、模块化多电平变换器为高压侧整流的三级式电能路由器拓扑，即，低压直流(LVDC)-高频交流(HFAC)-高压直流(HVDC)。美国FREEDOM中心基于级联H桥结构研制了高压直流母线7.2kV，低压侧240V/120V单相交流电和400V直流电的20kVA样机；瑞士苏黎世理工大学基于三电平中点钳位变换器设计了高压侧为中压配电网，低压侧为400V三相交流母线的1MVA拓扑；中国科学院团队基于模块化多电平变换器研制了10kV高压直流母线、380V低压交流母线和750V低压直流母线的1MW样机。

目前，基于级联H桥、三电平中点钳位、模块化多电平变换器为高压侧整流的三级式功率变换的电能路由器，因为有低电压直流母线，便于与各种分布式新能源对接，然而，由于直流母线的存在，其高压和低压直流母线上都需要电解电容器，特别是高压直流母线需要很大容量的电解电容器组储能，体积大、易发生故障的直流母线电容器不仅导致设备体积大大增加，并且还会缩短系统的使用寿命和降低可靠性。此外，由级联H桥和模块化多电平变换器的级联结构组成高压母线，导致系统功率器件大大增多，进而使成本加大。

发明内容

为此，本发明实施例提供了一种基于矩阵变换器的电能路由器及电能路由方法，以解决现有基于级联H桥、三电平中点钳位、模块化多电平变换器为高压侧整流的三级式电能路由器设备体积大、系统功率器件多等技术问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供了一种基于矩阵变换器的电能路由器，所述电能路由器包括：一个高频交流母线以及连接至所述高频交流母线上的至少两个即插接口，所述即插接口包括：至少一个向所述高频交流母线输入电能的输入接口和至少一个从所述高频交流母线输出电能的输出接口，所述输入接口为由单级式单相矩阵变换器形成的第一矩阵变换器接口和/或由单级式三相矩阵变换器形成的第二矩阵变换器接口；所述输出接口包括：至少一个由单级式单相矩阵变换器形成的第一矩阵变换器接口和/或至少一个由单级式三相矩阵变换器形成的第二矩阵变换器接口；每个即插接口均由一个变比为1:n的高频隔离变压器连接至所述高频交流母线。

进一步地，所述第一矩阵变换器接口包括：至少一个用于对接直流电源或负载的直流端口和至少一个用于对接单相交流电网或负载的单相交流端口。