[发明专利]一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器

说明书

本发明公开了一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，包括3台立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与并联变流器的交流侧相连；串联变流器和并联变流器的直流侧相连，形成低压直流端口；控制器控制连接串联变流器和并联变流器。本发明立体心式多绕组变压器三个心柱磁路对称，减少材料使用并降低铁损，配合少量变流器实现主动调控，拓扑结构和控制复杂度低。

技术领域

本发明属于柔性交直流配电技术领域，更具体地，涉及一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器。

背景技术

随着电力用户向多样化发展、分布式／储能并网运行以及配电网规模的不断扩大，配电网面临的接入压力越来越大，围绕如何提高分布式电源接入水平，微电网、主动配电网、智能电网、自主配电网等新兴技术框架发展迅速。随着现代电力电子技术与先进控制理论的发展，大容量电力电子变换设备已经具备了能量双向流动、变换、调控与管理能力。其中，以电能路由器为核心接口，以微电网的形式组网是可行方案之一，逐步得到了国内外学者的关注。电能路由器的突出特点在于其固态模块可对输入输出两侧的电压幅值和相位实时控制，可实现电压、电流和功率的灵活调节，是微电网与配电网之间理想的接口装置。

现阶段电能路由器多采用级联H桥形式和模块化多电平形式的两大类基于全电力电子模块的拓扑结构方案。然而，在交流配电系统中以基于全电力电子功率模块的电能路由器取代传统AC/AC工频变压器仍然存在很多挑战，最突出的问题是电能路由器的成本较高和损耗较大。例如1MVA 10kV/400V的电能路由器与传统工频变压器相比，前者成本是后者的5倍以上，而损耗是其3倍以上。较差的技术经济性使得基于全电力电子功率模块的电能路由器在现阶段难以在电网中大规模推广应用。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明第一方面提供了一种立体心式多绕组变压器，包括三柱立体磁路结构和四个绕组；所述三柱立体磁路结构包括三个铁心柱、上铁轭和下铁轭；所述三个铁心柱在空间上对称；相邻两个铁心柱的上端连接设置有所述上铁轭，相邻两个铁心柱的下端连接设置有所述下铁轭；四个绕组为高压绕组W1、串联绕组W2、低压绕组W3和并联绕组W4；所述低压绕组W3和所述并联绕组W4绕设于同一个铁心柱，所述高压绕组W1和所述串联绕组W2分别绕设于另外两个心柱。

基于上述，所述铁心柱、所述上铁轭和所述下铁轭均是由若干硅钢片或非晶合金材料薄板叠装而成。

本发明第二方面提供一种基于立体心式多绕组变压器的混合式电能路由器，包括3台所述的立体心式多绕组变压器、串联变流器、并联变流器和控制器；3台立体心式多绕组变压器的高压绕组采用三角型联结或星型联结方式形成中高压交流端口，低压绕组采用星型联结方式或星型联结方式形成低压三相交流端口，串联绕组采用星型联结方式与所述串联变流器的交流侧相连，并联绕组采用星型联结方式与所述并联变流器的交流侧相连；所述串联变流器和所述并联变流器的直流侧相连，形成低压直流端口；所述控制器控制连接所述串联变流器和所述并联变流器。

基于上述，所述串联变流器包括DC/AC功率变换模块和LC滤波器，所述DC/AC功率变换模块的交流侧与所述LC滤波器的电感端连接；所述LC滤波器的电容端与星型联结的串联绕组W2相连。

基于上述，所述DC/AC功率变换模块采用三相两电平拓扑、三相三电平拓扑或三相模块化多电平拓扑；所述DC/AC功率变换模块的拓扑结构采用的开关器件为带续流二极管的Si-IGBT、Si-MOSFET或者SiC-MOSFET。

基于上述，所述并联变流器包括AC/DC功率变换模块和滤波器，所述AC/DC功率变换模块的交流侧与所述滤波器的电感一端连接，所述滤波器的电感的另一端与星型联结的并联绕组W4相连；所述并联变流器的滤波器采用L型、LC型或LCL型滤波器。