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CN117674063B - 一种直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统 - Google Patents

一种直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统 Download PDF

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CN117674063B CN202410137929.2A CN202410137929A CN117674063B CN 117674063 B CN117674063 B CN 117674063B CN 202410137929 A CN202410137929 A CN 202410137929A CN 117674063 B CN117674063 B CN 117674063B
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Abstract

本发明公开了一种直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统，包括：并联连接在电能输入侧与变压输出侧之间的至少一组功率单元，每组功率单元均包括至少两个功率变换模组；每个功率变换模组均包括高频振荡隔离模块和电压调节变换模块；高频振荡隔离模块与电能输入侧连接，用于接收电能输入侧产生的高压直流电；电压调节变换模块的输出端交错并联后，分别与变压输出侧的正负极连接，用于输出额定高压直流电；每组功率单元的所有功率变换模组的高频振荡隔离模块相互串联，且每组功率单元的所有功率变换模组的电压调节变换模块相互并联，本发明能够实现1500V光伏输入、电能输入侧单元均压、输入‑输出高效软开关隔离以及变压输出侧电压全程调节。

Description

一种直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，具体涉及一种直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统。
背景技术
电解铝等直流负荷耗能大，现有技术中为电解铝生产线提供电能的供电侧大多利用光伏发电供能，而在负载侧，较大功率的电解铝生产线的工作电压一般为1100-1600V，其中，光伏发电的供能方式具体分为以下两种方式：
①DC/AC、AC/DC交直流转换方式：光伏发电产生的高电压（如1500V）通过逆变装置变成800V交流电，经过升压变压器接入交流电网，交流电网再通过降压整流装置向直流负荷供电，此种方式的电流转换环节多，效率低，经济性差。
②高电压直流变换方式：一般大规模光伏系统采用1500V电压等级进行能量汇集后，通过普通两电平拓扑结构的直流变换装置进行直流变换，接入负载系统，由于光伏电压较高，需要使用3300V等级的电力电子开关作为变换装置的开关器件，而这类电力电子开关速度低，开关损耗大，价格昂贵。
另外，由于负载侧同样存在负载电压高的问题，因此负载侧的传统拓扑结构的变换装置开关损耗大，且价格昂贵，也即现有的电解铝生产线的光伏供电侧由于电能量转换操作多，存在能量消耗大的问题，而负载侧的负载电压高，同样存在损耗大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供直流电能路由器及光伏接入直流负荷供电系统，以解决现有技术中，由于电能量转换操作多、负载侧的负载电压高而导致的能量消耗大的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明具体提供下述技术方案：
一种直流电能路由器，包括，
并联连接在电能输入侧与变压输出侧之间的至少一组功率单元，每组所述功率单元均包括至少两个功率变换模组；
其中，每个所述功率变换模组均包括高频振荡隔离模块和电压调节变换模块；
所述高频振荡隔离模块与所述电能输入侧连接，用于接收所述电能输入侧产生的高压直流电；
所述电压调节变换模块的输出端交错并联后，分别与所述变压输出侧的正负极连接，用于输出额定高压直流电；
每组所述功率单元的所有功率变换模组的所述高频振荡隔离模块相互串联，且每组所述功率单元的所有功率变换模组的电压调节变换模块相互并联。
作为本发明的一种优选方案，所述高频振荡隔离模块包括与所述电能输入侧连接的两电平H桥单元，以及与所述两电平H桥单元连接的隔离变压器，每个所述两电平H桥单元形成正极输入端口和负极输入端口，所述两电平H桥单元用于接受所述电能输入侧产生的高压直流电；
所述电压调节变换模块包括与所述变压输出侧连接的堆叠型三电平结构，每个所述堆叠型三电平结构形成正极输出端口和负极输出端口；
其中，所述两电平H桥单元通过隔离变压器与所述堆叠型三电平结构连接，所述堆叠型三电平结构能够输出额定高压直流电。
作为本发明的一种优选方案，同一组所述功率单元的所有两电平H桥单元通过正极输入端口和负极输入端口依次串联连接，且所有两电平H桥单元串联连接后形成的所述正极输入端口和负极输入端口分别与所述电能输入侧的正负极连接，以实现对所述电能输入侧的自然均压。
作为本发明的一种优选方案，所述隔离变压器与所述两电平H桥单元的连接线路上安装有谐振电容组。
作为本发明的一种优选方案，所述功率单元的使用数量超过一个时，相邻两组所述功率单元的输入端并联连接，且每组所述功率单元的正极输入端口和负极输入端口与所述电能输入侧的正负极匹配连接。
作为本发明的一种优选方案，所有功率单元的所述堆叠型三电平结构的正极输出端口之间并联连接，且所有功率单元的所述堆叠型三电平结构的负极输出端口之间并联连接，且并联连接形成的最终的正极输出端口和负极输出端口分别与所述变压输出侧的正负极连接。
作为本发明的一种优选方案，所有功率变换模组的所述堆叠型三电平结构的所述正极输出端口均连接有斩波电抗，且连接有所述斩波电抗的所述正极输出端口并联连接后与所述变压输出侧的正级连接；
其中，所述斩波电抗并联后的载波相位互相交错，以使得整个直流电能路由器的输出电流的开关频率谐波互相抵消，总输出电流的谐波含量降低。
为了解决上述技术问题，本发明还提供了一种直流电能路由器的光伏接入直流负荷供电系统，包括：
用于将多个光伏发电组串的输出端并联连接的光伏汇流组件；
用于将多个所述光伏汇流组件的输出端并联连接的二次汇流装置；
与所述二次汇流装置的输出端连接的直流电能路由器；
与所述直流电能路由器的输出端连接的变压输出侧保护装置；
所述变压输出侧保护装置的输出端与直流负荷连接。
作为本发明的一种优选方案，所述光述直流电能路由器伏汇流组件包括由多个所述光伏发电组串并联组成的光伏汇流箱，且多个所述光伏汇流箱经过二次汇流并联形成二次汇流装置，所述二次汇流装置的输出端形成光伏正极线路和光伏负极线路；
所述光伏正极线路和光伏负极线路分别与所述直流电能路由器形成的正极输入端口和负极输出端口匹配连接。
作为本发明的一种优选方案，所述变压输出侧保护装置包括串联连接的输出滤波器、输出熔断保护器、输出逆止保护器以及输出隔离开关。
本发明与现有技术相比较具有如下有益效果：
本发明的直流电能路由器采用多组功率单元并联的方式，实现大功率直流变换，直流电能路由器的变压输出侧采用交错并联的方式，使得整机开关频率进一步提高，谐波含量进一步降低。
光伏接入直流负荷供电系统能够实现1500V光伏输入、电能输入侧单元均压、输入-输出高效软开关隔离、变压输出侧电压全程调节、变压输出侧0-2000V电压输出，由于直流电能路由器的开关频率较高，变压输出侧电压电流谐波含量较低，因此本发明的直流电能路由器中可以使用经济、高速的额定电压1700V 的绝缘栅双极晶体管IGBT。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例的直流电能路由器内的单个功率单元的结构示意图；
图2为本发明实施例的直流电能路由器整机的结构示意图；
图3为本发明实施例的光伏接入直流负荷供电系统的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供了一种直流电能路由器，包括：并联连接在电能输入侧与变压输出侧之间的至少一组功率单元，每组功率单元均包括至少两个功率变换模组，其中，每个功率变换模组均包括高频振荡隔离模块和电压调节变换模块。
高频振荡隔离模块与电能输入侧连接，用于接收电能输入侧产生的高压直流电。
电压调节变换模块的输出端交错并联后，分别与变压输出侧的正负极连接，用于输出额定高压直流电。
每组功率单元的所有功率变换模组的高频振荡隔离模块相互串联，且两个功率变换模组的电压调节变换模块相互并联。
进一步的，高频振荡隔离模块包括与电能输入侧连接的两电平H桥单元，以及与两电平H桥单元连接的隔离变压器，每个两电平H桥单元形成正极输入端口和负极输入端口，两电平H桥单元用于接受电能输入侧产生的高压直流电。
电压调节变换模块包括与变压输出侧连接的堆叠型三电平结构，每个堆叠型三电平结构形成正极输出端口和负极输出端口。
其中，两电平H桥单元通过隔离变压器与堆叠型三电平结构连接，堆叠型三电平结构能够输出额定高压直流电，且隔离变压器与两电平H桥单元的连接线路上安装有谐振电容组。
进一步的，同一组功率单元的所有功率变换模组的连接方式为：
同一组功率单元的所有两电平H桥单元通过正极输入端口和负极输入端口依次串联连接，且所有两电平H桥单元串联连接后形成的正极输入端口和负极输入端口分别与电能输入侧的正负极连接，以实现对电能输入侧的自然均压。
同一组功率单元的所有堆叠型三电平结构的正极输出端口并联连接，同一组功率单元的所有堆叠型三电平结构的负极输出端口并联连接，以使得功率单元的输出端交错并联。
进一步的，所有功率变换模组的堆叠型三电平结构的正极输出端口均连接有斩波电抗，且连接有斩波电抗的正极输出端口并联连接后与变压输出侧的正级连接。
其中，斩波电抗并联后的载波相位互相交错，以使得整个直流电能路由器的输出电流的开关频率谐波互相抵消，总输出电流的谐波含量降低。
需要补充说明的是，两电平H桥单元负责将来自光伏的直流电振荡成高频交流电，工作时，依次导通、关断H桥里的2组斜对角的IGBT，即正半波时，桥臂1的正极IGBT和桥臂2的负极IGBT导通，另外两个IGBT关断，输出正电压；在负半波时，桥臂1的正极IGBT和桥臂2的负极IGBT关断，另外两个IGBT导通，输出负电压。
隔离变压连接单元负责将输入的高频交流电能进行电气隔离后，输出至输出侧，并用匝比来提供额定的变比，采用电容串联单相高频变压器的谐振软开关拓扑结构。通过变压器漏感与电容的谐振，实现IGBT的软开关，即零电压开通、低电流关断，从而降低开关损耗，提升能量转换效率。
堆叠型三电平结构负责将经过隔离、变压的高频交流电能恢复为直流，通过采用三电平结构将电压提高一倍，并通过斩波调节对输出电压进行控制。
堆叠型三电平结构在结构上分为三电平高频整流部分、支撑平波部分、斩波调节部分，其中，三电平高频整流部分与隔离变压连接单元相连，将经过隔离、变压的高频交流恢复成直流，同时通过三电平的拓扑结构，其恢复的直流电压比两电平拓扑的电压要高一倍。
支撑平波部分采用电力电容器，对电压、电流进行平波。
斩波调节部分采用堆叠三电平斩波器结构，即上半直流母线和下半直流母线各设置一个两电平IGBT斩波桥臂，并设置1个斩波电感，两个两电平IGBT斩波桥臂在PWM发生时，载波相同，参考波幅值相同、符号相反，其输出的总电压为三电平电压，等效开关频率为单个IGBT开关频率的2倍，从而实现了较高的开关频率和较低的电流谐波，通过改变斩波调节部分的占空比可以使输出电压在0至全直流母线电压之间变化。
在本实施方式中，电能输入侧为光伏发电侧，由于直流电能路由器的输入端与开路电压1500V的光伏组串连接，而采用1200V的IGBT的两电平功率单元的直流电压最高为750V，采用1700V的IGBT的两电平功率单元的直流电压最高为1100V，因此直流电能路由器至少需要一组功率单元，而该组功率单元至少需要2个功率变换模组串联。
如果功率变换模组的输入端不采用串联，则无法实现与1500V光伏组串的连接，所以需要以两个功率变换模组的输入端串联、输出端并联作为一个基本的功率单元。
而单个功率单元的功率变换模组的输出端交错并联，使得每个功率单元的整体开关频率提高一倍，谐波含量进一步降低，且实现对功率单元的输入端的自然均压。
需要补充说明的是，本实施方式单个功率单元的功率变换模组中，每个两电平H桥单元的空载直流电压为750V，串联后与1500V的电能输入侧连接。由于两电平H桥单元中均采用额定电压1200V或1700V的IGBT，这样IGBT有足够的电压余量来承受IGBT开关过程的暂态过电压。
而隔离变压器的匝数变比为750V：1000V，750V侧与两电平H桥单元相连接，1000V侧与堆叠型三电平结构连接，因此两电平H桥单元的直流电压为750V时，堆叠型三电平结构的半母线直流电压约为1000V，全母线直流电压约为2000V。堆叠型三电平结构采用额定电压1700V的IGBT，因此有足够的电压裕量来承受IGBT开关过程的暂态过电压。
堆叠型三电平结构的输出电压最大为输出侧全母线，即2000V，最小为0V，通过控制各IGBT的占空比，可以实现输出电压在0V至2000V之间的任意变化，因此能够实现1100V-1600V电压输出。
因此本实施方式的直流电能路由器能够接收1500V光伏直流输入，且能够完成输入侧的均压、输出侧电压能够在0V至2000V之间的任意变化，实现0-2000V电压输出，整机开关频率较高，输出侧电压电流谐波含量较低，因此可以使用经济、高速的额定电压1700V 的IGBT。
基于上述，在本实施方式中，功率单元至少为一组，而每组功率单元至少包含两个功率变换模组，每个功率变换模组的输入端的空载直流电压为750V，才能承受1500V的光伏电源输入，因此本实施方式的直流电能路由器的组成方式存在以下几种情况：
①功率单元仅只有一个，功率变换模组存在多个，且其输入端串联连接，其输出端交错并联连接，即两电平H桥单元正极输入端口与负极输入端口串联连接，所有功率变换模组的堆叠型三电平结构的正极输出端口之间并联连接，且所有功率变换模组的堆叠型三电平结构的负极输出端口之间并联连接，以使得整个直流电能路由器的输出端采用交错并联的方式统一输出，以提高每组功率单元的整体开关频率，且并联连接形成的最终的正极输出端口和负极输出端口分别与输出端的正负极连接。
②功率单元存在多个，并联在一起，且每个功率单元的功率变换模组存在多个，且其输入侧串联连接，其输出侧交错并联连接。
即每组功率单元的功率变换模组的使用数量超过一个时，每组功率单元的功率变换模组连接方式如图2所示：
所有功率变换模组的两电平H桥单元通过正极输入端口和负极输入端口依次串联连接，且所有两电平H桥单元串联连接后的剩余的正极输入端口和负极输入端口分别与电能输入侧的正负极连接，以实现对电能输入侧的自然均压。
所有功率变换模组的堆叠型三电平结构的正极输出端口之间并联连接，形成一个正极输出端口，且所有功率变换模组的堆叠型三电平结构的负极输出端口之间并联连接，形成一个负极输出端口。
将多个功率单元并联连接的连接方式为：
将光伏电的正负极分别与每个功率单元的正极输入端口和负极输入端口连接进行供电，然后将多个功率单元负极输出端口和正极输出端口交错并联，形成一个正极输出端口和负极输出端口。
多个堆叠型三电平结构的输出端交错并联，使得单个功率单元的整体开关频率提高多倍，其中，提高倍数与功率单元数量相同，谐波含量进一步降低，且实现电能输入侧的多个串联功率单元的自然均压。
本实施方式的直流电能路由器采用多组功率单元并联的方式，实现大功率直流变换，整机输出端采用交错并联的方式，使得整机开关频率进一步提高，谐波含量进一步降低。
另外，如图3所示，本发明还提供了一种光伏接入直流负荷供电系统，应用上述直流电能路由器，包括：
用于将多个光伏发电组串的输出端并联连接的光伏汇流组件。
用于将多个光伏汇流组件的输出端并联连接的二次汇流装置，其中，二次汇流装置负责二次汇流及其熔断保护。
与二次汇流装置的输出端连接的直流电能路由器，直流电能路由器负责电气隔离、输入、输出过压过流保护、系统电能控制、光伏侧最大功率点追踪控制以及输出侧电压追踪控制。
与直流电能路由器的输出端连接的变压输出侧保护装置，输出侧保护装置负责输出滤波、输出侧短路逆止保护、输出侧熔断保护、检修隔离等。
变压输出侧保护装置的输出端与直流负荷连接，变压输出侧保护装置包括串联连接的输出滤波器、输出熔断保护器、输出逆止保护器以及输出隔离开关。
光伏汇流组件包括与多个光伏发电组串连接的光伏汇流箱，且多个光伏汇流箱经过二次汇流并联形成二次汇流装置，二次汇流装置的输出端形成光伏正极线路和光伏负极线路；
光伏正极线路和光伏负极线路分别与直流电能路由器形成的正极输入端口和负极输出端口匹配连接。
需要补充说明的是，光伏汇流箱内设有与每个光伏发电组串连接的熔断保护器、防逆流保护器和组串电流检测组件，且每个光伏汇流箱的输出端设有防雷保护器和输出断路器。
变压输出侧保护装置包括串联连接的输出滤波器、输出熔断保护器、输出逆止保护器以及输出隔离开关。
上述二次汇流的优点是减少光伏组串电缆的数量和造价，从经济性上，相同的通流能力下，数量较少的大截面电缆的造价显著低于数量较多的小截面电缆。
作为典型的实施例，360个光伏组串，用15个24路汇流箱进行一次汇流，然后经过电缆传输后，再进行二次汇流。
如果仅使用一次汇流，则需要正负极各360根，总计720根6mm²全长度的1500V光伏电缆，对于6mm²的1500V光伏电缆，绝缘和机械防护材料在造价中占比较大。
如果使用二次汇流方式，则每个光伏组串使用正负极各1根，总计720根长度较短的6mm²1500V光伏电缆，一次汇流后用正负极各15根，总计30根185mm²较长的1500V光伏铝电缆进行输出，然后再进行二次汇流。在此实施例中，较大长度的电缆为数量较少的铝电缆，造价较低。
该系统具有较完备的保护能力，能够较好地实现光伏直流接入电解铝等工业负载的控制与保护。
上述光伏接入直流负荷供电系统能够实现1500V光伏输入、电能输入侧单元均压、输入-输出高效软开关隔离、变压输出侧电压全程调节、变压输出侧0-2000V电压输出。
以上实施例仅为本申请的示例性实施例，不用于限制本申请，本申请的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本申请的实质和保护范围内，对本申请做出各种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本申请的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直流电能路由器，其特征在于，包括，
并联连接在电能输入侧与变压输出侧之间的至少一组功率单元，每组所述功率单元均包括至少两个功率变换模组；
其中，每个所述功率变换模组均包括高频振荡隔离模块和电压调节变换模块；
所述高频振荡隔离模块与所述电能输入侧连接，用于接收所述电能输入侧产生的高压直流电；
所述电压调节变换模块的输出端交错并联后，分别与所述变压输出侧的正负极连接，用于输出额定高压直流电；
每组所述功率单元的所有功率变换模组的所述高频振荡隔离模块相互串联，且每组所述功率单元的所有功率变换模组的电压调节变换模块相互并联；
所述高频振荡隔离模块包括与所述电能输入侧连接的两电平H桥单元，以及与所述两电平H桥单元连接的隔离变压器，每个所述两电平H桥单元形成正极输入端口和负极输入端口，所述两电平H桥单元用于接受所述电能输入侧产生的高压直流电；
所述电压调节变换模块包括与所述变压输出侧连接的堆叠型三电平结构，每个所述堆叠型三电平结构形成正极输出端口和负极输出端口；
其中，所述两电平H桥单元通过隔离变压器与所述堆叠型三电平结构连接，所述堆叠型三电平结构能够输出额定高压直流电；
所述隔离变压器与所述两电平H桥单元的连接线路上安装有谐振电容组；
所述功率单元的使用数量超过一个时，相邻两组所述功率单元的输入端并联连接，且每组所述功率单元的正极输入端口和负极输入端口与所述电能输入侧的正负极匹配连接。
2.根据权利要求1所述的一种直流电能路由器，其特征在于，
同一组所述功率单元的所有两电平H桥单元通过正极输入端口和负极输入端口依次串联连接，且所有两电平H桥单元串联连接后形成的所述正极输入端口和负极输入端口分别与所述电能输入侧的正负极连接，以实现对所述电能输入侧的自然均压。
3.根据权利要求1所述的一种直流电能路由器，其特征在于，
所有功率单元的所述堆叠型三电平结构的正极输出端口之间并联连接，且所有功率单元的所述堆叠型三电平结构的负极输出端口之间并联连接，且并联连接形成的最终的正极输出端口和负极输出端口分别与所述变压输出侧的正负极连接。
4.根据权利要求3所述的一种直流电能路由器，其特征在于，
所有功率变换模组的所述堆叠型三电平结构的所述正极输出端口均连接有斩波电抗，且连接有所述斩波电抗的所述正极输出端口并联连接后与所述变压输出侧的正级连接；
其中，所述斩波电抗并联后的载波相位互相交错，以使得整个直流电能路由器的输出电流的开关频率谐波互相抵消，总输出电流的谐波含量降低。
5.一种应用权利要求1-4任一项所述的直流电能路由器的光伏接入直流负荷供电系统，其特征在于，包括：
用于将多个光伏发电组串的输出端并联连接的光伏汇流组件；
用于将多个所述光伏汇流组件的输出端并联连接的二次汇流装置；
与所述二次汇流装置的输出端连接的直流电能路由器；
与所述直流电能路由器的输出端连接的变压输出侧保护装置；
所述变压输出侧保护装置的输出端与直流负荷连接。
6.根据权利要求5所述的光伏接入直流负荷供电系统，其特征在于，
所述光伏汇流组件包括与多个光伏发电组串连接的光伏汇流箱，且多个所述光伏汇流箱经过二次汇流并联形成二次汇流装置，所述二次汇流装置的输出端形成光伏正极线路和光伏负极线路；
所述光伏正极线路和光伏负极线路分别与所述直流电能路由器形成的正极输入端口和负极输出端口匹配连接。
7.根据权利要求5所述的光伏接入直流负荷供电系统，其特征在于，
所述变压输出侧保护装置包括串联连接的输出滤波器、输出熔断保护器、输出逆止保护器以及输出隔离开关。
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