电能路由器待机方法及电能路由器

技术领域

本发明涉及电能路由器、电力能源互联网领域，特别涉及电能路由器待机方法及电能路由器。

背景技术

电能路由器，亦被称为电力电子变压器，能够互联不同电压等级的输电网或配电网，可以同时连接直流电网和交流电网，实现电能灵活传输、分配等功能。电能路由器包括多个功率模块，功率模块的高压侧连接端之间级联，功率模块的低压侧连接端之间并联。

当电能路由器高压侧处于在网待机状态时，由于功率模块中直流电容、取能单元、控制单元的离散型性，在不采取额外均压措施的情况下，会导致串联功率模块高压侧电容的电压分配不平均，进而使得部分功率模块中，高压侧与电容连接的直流母线的电压低于取能电压的最低工作电压，控制单元失电不能正常工作，或者部分功率模块中，与电容连接的直流母线的电压高于过压阈值，导致系统故障停机。

因此，电能路由器高压侧不能长时间处于在网待机状态，难以满足电网突发命令下快速响应和调节，另一方面，由于电能路由器高压侧并网开关的动作寿命次数有限，增加电能路由器高压侧并网开关的动作次数，相当于降低了电能路由器高压侧并网开关的使用寿命。

因此，现有技术中，一般在功率模块的中设置有一组或多组电阻，通过投入电阻与功率模块高压侧中的电容并联，或且切除电阻，以调节电容的电压，维持功率模块高压侧电压稳定在一定范围内。

然而，通过投切电阻维持功率模块高压侧的电压稳定，一般需要配置开关器件控制电阻的投切，增加开关器件会降低整体的可靠性，并且存在成本较高的问题，同时亦存在电能路由器高压侧在网待机状态下系统损失较大的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出电能路由器待机方法，其能够根据高压侧单元的电压值大小，切除电压值大的功率模块，以维持高压侧单元电压稳定。

本发明还提出电能路由器，其能够根据高压侧单元的电压大小，控制高压侧单元停止获取电能，以维持高压侧单元的电压稳定。

根据本发明第一方面实施例的电能路由器待机方法，包括步骤：

S1：获取高压侧单元的电压值；

S2：对获取的高压侧单元电压值进行排序；

S3：根据预设切除值Nt，从电压值大到小的顺序，切除Nt个高压侧单元，投入其余的高压侧单元进行不控整流；

S4：等待预设周期时间T后，重复执行S1至S4。

根据本发明实施例的电能路由器待机方法，至少具有如下有益效果：获取高压侧单元的电压值，根据电压值大小将高压侧单元排序，从电压值大到小的顺序将Nt个高压侧单元切除，其余的高压侧单元投入使用进行不控整流，投入使用的高压侧单元获取电能使得电压值能够得到补充，而被切除的功率模块因储存的电能被自身消耗使得电压值逐渐减小。在周期时间T后，再次根据电压值大小进行排序，从电压值大到小的顺序切除Nt个高压侧单元，并且其余的高压侧单元投入使用，此时，上一周期被切除的高压侧单元亦可以被投入重新使用。以此方法，能够使高压侧单元的电压值更加平均，无需使用开关器件投切电阻，有利于将高压侧单元的电压值维持在一定电压范围内保持稳定。

根据本发明的一些实施例，还包括步骤：控制并网开关维持闭合，获取并根据待机信息控制隔离变压单元和/或低压侧单元启停。

根据本发明的一些实施例，在所述步骤S2中：对获取的高压侧单元电压值，按照电压值从大到小的顺序排列或者按照电压值从小到大的顺序排列。

根据本发明的一些实施例，在所述步骤S1中：获取高压侧单元的电压值时，忽略已旁路的高压侧单元。

根据本发明的另一些实施例，所述高压侧单元包括半桥电路，在步骤S3中：控制高压侧单元中半桥电路的下管导通并且上管截止，以切除高压侧单元。

根据本发明的一些实施例，所述高压侧单元包括全桥电路，在步骤S3中：控制高压侧单元中全桥电路的下管导通并且上管截止或者上管导通并且下管截止，以切除高压侧单元。

根据本发明第二方面实施例的电能路由器，包括：至少两个功率模块，所述功率模块包括高压侧单元以及与高压侧单元连接的电压检测单元，所述高压侧单元之间级联；控制模块，分别与所述高压侧单元的控制端以及所述电压检测单元连接；定时模块，与所述控制模块连接，所述控制模块能够执行上述的电能路由器待机方法。

根据本发明实施例的电能路由器，至少具有如下有益效果：每个功率模块中电压检测单元检测高压侧单元的电压值，并将检测的电压值通信传输至控制模块，控制模块对接收到的高压侧单元电压值进行排序，并按电压值由大到小的顺序切除预设数量Nt个高压侧单元，被切除的高压侧单元随着储存电能的消耗会使得自身电压值逐渐减小，同时由于多个功率模块的高压侧单元之间级联，除了切除的高压侧单元，其余投入使用进行不控整流的高压侧单元，其电压值得到一定提升。通过设置有定时模块，令控制模块周期性地重复上述过程，能够令全部高压侧单元的电压值维持在一定范围内。以此，无需使用开关器件和电阻，能够使得高压侧单元的电压值稳定在一定范围内。

根据本发明的一些实施例，还包括并网开关以及电抗器，多个所述高压侧单元之间级联形成级联链路，所述并网开关通过所述电抗器与所述级联链路连接，所述控制模块与所述并网开关连接，所述功率模块还包括与所述控制模块连接的隔离变压单元以及低压侧单元，所述高压侧单元通过所述隔离变压单元与所述低压侧单元连接，所述低压侧单元之间并联。

根据本发明的一些实施例，所述功率模块还包括分别与所述高压侧单元的控制端以及所述隔离变压单元的控制端连接的子控单元，所述控制模块与所述子控单元通过光纤通信连接。

根据本发明的一些实施例，所述功率模块还包括与所述高压侧单元连接的旁路单元，所述子控单元与所述旁路单元的控制端连接。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明其中一种实施例的方法流程图；

图2为本发明其中一种实施例的结构框图；

图3为本发明其中一种实施例中功率模块之间连接结构示意图；

图4为本发明其中一种实施例中功率模块的电路图；

图5为本发明另一种实施例中功率模块的电路图；

图6为本发明其中一种实施例中第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂的连接结构示意图；

图7为本发明另一种实施例中第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂的连接结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，根据本发明实施例的电能路由器待机方法，包括步骤：

S1：获取高压侧单元110的电压值；

S2：对获取的高压侧单元110电压值进行排序；

S3：根据预设切除值Nt，从电压值大到小的顺序，切除Nt个高压侧单元110，投入其余高压侧单元110进行不控整流；

S4：等待预设周期时间T后，重复执行S1至S4。

获取高压侧单元110的电压值，根据电压值大小将高压侧单元110排序，从电压值大到小的顺序将Nt个高压侧单元110切除，其余的高压侧单元110投入使用进行不控整流，投入使用的高压侧单元110获取电能使得电压值能够得到补充，而被切除的功率模块100因储存的电能被自身消耗使得电压值逐渐减小。在周期时间T后，再次根据电压值大小进行排序，从电压值大到小的顺序切除Nt个高压侧单元110，并且其余的高压侧单元110投入使用，此时，上一周期被切除的高压侧单元110亦可以被投入重新使用。以此方法，能够使高压侧单元110的电压值更加平均，无需使用开关器件投切电阻，有利于将高压侧单元110的电压值维持在一定电压范围内保持稳定。

切除高压侧单元110，是指将该高压侧单元110从多个高压侧单元110级联形成的级联链路中短路掉；投入高压侧单元110，是指将该高压侧单元110连接在由多个高压侧单元110级联形成的级联链路中，并且高压侧单元110在级联链路中进行不控整流。

在本发明的一些实施例中，还包括步骤：控制并网开关500维持闭合，获取并根据待机信息控制隔离变压单元和/或低压侧单元启停。

通过维持并网开关500闭合，使得电能路由器的高压侧单元110处于在网状态，执行上述步骤S1至S4能够使得高压侧单元110的电压值维持在一定电压范围内，以此即便高压侧单元110长时间处于在网状态，亦不会发生电压过低或过高的情况，有利于减少并网开关500动作次数，延长并网开关500的使用寿命。与此同时，根据待机信息控制隔离变压单元、低压侧单元启动或停止，能够快速响应电网进行调节，有利于提高对电网突发事件的响应速度。

在控制隔离变压单元、低压侧单元启动或停止的同时，可以对冷却系统进行关闭或者启动。

待机信息包括上级指令、后台指令、负载值或系统功率值大小等。

在本发明的一些实施例中，在步骤S2中：对获取的高压侧单元110电压值，按照电压值从大到小的顺序排列或者按照电压值从小到大的顺序排列。

将高压侧单元110的电压值按照从大到小或从小到大的顺序排列，方便后续在步骤S3中根据高压侧单元110的电压值大小切除相应的高压侧单元110。

在本发明的一些实施例中，在步骤S1中：获取高压侧单元110的电压值时，忽略已旁路的高压侧单元110。

由于被旁路的高压侧单元110意味着高压侧单元110或者对应的功率模块100出现故障等情况不能正常工作，因此，在获取高压侧单元110的电压值时，忽略已旁路的高压侧单元110，防止已旁路的高压侧单元110产生影响，有利于提高可靠性。

参照图1和图4，在本发明的一些实施例中，高压侧单元110包括半桥电路111，在步骤S3中：控制高压侧单元110中半桥电路111的下管(T2)导通并且上管(T1)截止，以切除高压侧单元110。

通过控制半桥电路111的下管(T2)导通并且上管(T1)截止，使得半桥电路111的两个输入端之间短路，输入的电能不能传输至与半桥电路111连接的第一电容，实现切除高压侧单元110的目的，控制简单，便于实施。

参照图1和图5，在本发明的另一些实施例中，高压侧单元110包括全桥电路112，在步骤S3中：控制高压侧单元110中全桥电路112的下管(T4和T6)导通并且上管(T3和T5)截止或者上管(T3和T5)导通并且下管(T4和T6)截止，以切除功率模块100。

通过控制全桥电路112的下管(T4和T6)导通并且上管(T3和T5)截止或者上管(T3和T5)导通并且下管(T4和T6)截止，使得全桥电路112的两个输入端之间短路，输入的电能不能传输至与全桥电路112连接的第一电容，实现切除高压侧单元110的目的，控制简单，便于实施。

参照图2至图5，根据本发明的第二方面实施例的电能路由器，包括：至少两个功率模块100，功率模块100包括高压侧单元110、与高压侧单元110连接的电压检测单元120以及子控单元160，电压检测单元120的检测端分别和高压侧单元110的直流母线电容的正负极连接，高压侧单元110之间级联，子控单元160分别与高压侧单元110以及电压检测单元120连接，子控单元160通过电压检测单元120获取高压侧单元110的直流电压值；控制模块200，通过光纤与子控单元160连接进行数据交互；定时模块300，与控制模块200连接，控制模块200能够执行上述电能路由器待机方法。

每个功率模块100中电压检测单元120检测高压侧单元110的电压值，并将检测的电压值通过子控单元160通信传输至控制模块200，控制模块200对接收到的高压侧单元110电压值进行排序，并按电压值由大到小的顺序切除预设数量Nt个高压侧单元，被切除的高压侧单元110随着储存电能的消耗会使得自身电压值逐渐减小，同时由于多个功率模块100的高压侧单元110之间级联，除了切除的高压侧单元110，其余投入使用进行不控整流的高压侧单元110，其电压值得到一定提升。通过设置有定时模块300，令控制模块200周期性地重复上述过程，能够令全部高压侧单元110的电压值维持在一定范围内。以此，无需使用开关器件和电阻，能够使得高压侧单元110的电压值稳定在一定范围内。

控制模块200可以是包括单片机、FPGA、DSP、CPLD或嵌入式芯片等器件的实施方式。定时模块300可以是包括定时器、定时电路等器件或模块的实施方式。当控制模块200包括单片机、DSP、ARM、CPLD、FPGA等可编程器件的实施例时，定时模块300可以是为可编程器件中的一段定时程序。电压检测单元120可以是包括电压互感器、电阻分压电路或其他常见的电压检测器件或电压检测电路以及单片机、FPGA、CPLD、嵌入式芯片等器件配合的实施方式。

参照图2、图4至图7，在本发明的一些实施例中，并网开关500以及电抗器600，多个所述高压侧单元之间级联形成级联链路，所述并网开关500通过所述电抗器600与所述级联链路连接，，控制模块200与并网开关500连接，功率模块100还包括与控制模块200连接的隔离变压单元130以及低压侧单元140，高压侧单元110通过隔离变压单元130与低压侧单元140连接，低压侧单元140之间并联。

控制模块200能够根据待机信息控制并网开关500的开闭，进而控制高压侧单元110的在网状态。待机信息包括上级指令、后台指令、负载值或系统功率值大小等。

每个功率模块100设置有子控单元160，控制模块200与子控单元160之间通过光纤交换数据，以协调各个功率模块100之间工作，控制模块200与子控单元160之间通过光纤通信连接，即进行光纤通信，有利于提高数据传输的速率，提高控制响应速度。

控制模块200通过子控单元160控制高压侧单元110、隔离变压单元130、低压侧单元140以及旁路单元150。

参考图2，在本发明的一些实施例中，子控单元160包括高压侧控制单元161以及低压侧控制单元162，高压侧控制单元161与高压侧单元110以及隔离变压单元130中高压单元部分连接，低压侧控制单元162与低压侧单元140以及隔离变压单元130中低压单元部分连接。

参照图4和图5，在本发明的一些实施例中，功率模块100还包括与高压侧单元110连接的旁路单元150，子控单元160与旁路单元150的控制端连接。

通过设置有旁路单元150与高压侧单元110连接，能够在功率模块100发生故障或意外情况时，旁路单元150将功率模块100中的高压侧单元110旁路，将故障的功率模块100与正常工作的功率模块100隔离，以使得其他功率模块100不受影响能够继续工作，有利于提高可靠性。

旁路单元150可以是包括旁路开关或电力电子开关器件等实施方式。在本发明的一些实施例中，控制模块200包括待机信息获取单元、待机逻辑处理单元、启机逻辑处理单元以及故障处理单元，待机信息获取单元用于获取待机信息，如上级指令、后台指令以及负载状态信息等；待机逻辑处理单元用于通过待机信息获取单元获得待机指令后，控制并网开关500保持闭合，控制隔离变压单元130和低压侧单元140停机，同时控制冷却系统停止；启机逻辑处理单元，用于通过待机信息获取单元获得启机指令后，控制隔离变压单元130和低压侧单元140启机，同时控制冷却系统启动或停止；故障处理单元，用于检测功率模块100运行状态并且在出现故障时执行故障处理。

待机信息获取单元、待机逻辑处理单元、启机逻辑处理单元以及故障处理单元可以是包括单片机、ARM芯片、DSP、FPGA、CPLD等器件的实施方式。待机信息获取单元、待机逻辑处理单元、启机逻辑处理单元以及故障处理单元亦可以是为同一处理器中不同的功能程序的实施方式。

在本发明的一些实施例中，控制模块200包括均压控制单元210以及第一通信处理单元220，功率模块100还包括第二通信处理单元170，各功率模块100中的电压检测单元120检测高压侧单元110的直流电压并传输至高压侧控制单元161，高压侧控制单元161将检测获得的直流电压传输至低压侧控制单元162，低压侧控制单元162通过第二通信处理单元170以及第一通信处理单元210将直流电压传输至均压控制单元210，均压控制单元210根据直流电压的大小排序并生成执行指令传输至高压侧控制单元161，高压侧控制单元161根据执行指令控制对应的高压侧单元110动作，以实现切除高压侧单元110或投入高压侧单元110进行不控整流。

第一通信处理单元210、第二通信处理单元170之间通过光纤进行数据传输交互。第一通信处理单元210以及第二通信处理单元170可以是包括光纤通信芯片、光模块等器件的实施方式。均压控制单元210可以是包括单片机、ARM芯片、DSP、FPGA、CPLD等器件的实施方式。

参照图4，在本发明的一些实施例中，高压侧单元110包括第一电容以及半桥电路111，隔离变压单元130包括双有源桥电路，低压侧单元140包括第二电容，半桥电路111通过第一电容与双有源桥电路的高压端连接，双有源桥电路的低压端与第二电容连接。

参考图5，在本发明的一些实施例中，高压侧单元110包括第一电容以及全桥电路112，隔离变压单元130包括双有源桥电路，低压侧单元140包括第二电容，全桥电路112通过第一电容与双有源桥电路的高压端连接，双有源桥电路的低压端与第二电容连接。半桥电路111或全桥电路112获取电能传输至第一电容，经第一电容后传输至双有源桥电路，经双有源桥进行变压处理传输至第二电容后输出。半桥电路111、全桥电路112和双有源桥电路，具有工作效率高、便于控制、功率双向流动的优点。高压侧单元110包括半桥电路111，一般应用在DC/DC的使用环境；高压侧单元110包括全桥电路112，即H桥电路，一般应用在DC/AC的使用环境。

参考图4，在高压侧单元110包括第一电容以及半桥电路111的实施例时，当处于不控整流状态，控制模块200控制半桥电路111的上管(T1)与下管(T2)截止，电流经过与上管(T1)反向并联的二极管(D1)传输至第一电容，第一电容电压上升，即高压侧单元110获取电能；控制模块200控制半桥电路111的下管(T2)导通并且上管(T1)截止时，电流通过下管(T2)传输至下一个串联的半桥电路111，第一电容没有获取电能补充，即高压侧单元110被切除，停止获取电能，随着第一电容储存电能向隔离变压单元130释放消耗，第一电容的电压逐渐下降。以此，控制模块200能够通过控制半桥电路111的上管(T1)、下管，调节第一电容的电压。

参照图6和图7，在本发明的一些实施例中，至少两个功率模块100连接形成第一桥臂510，至少两个功率模块100连接形成第二桥臂520，至少两个功率模块100连接形成第三桥臂530，第一桥臂510、第二桥臂520以及第三桥臂530之间星型连接或三角形连接。

通过形成第一桥臂510、第二桥臂520以及第三桥臂530，能够连接到常见的三相输电的电网使用。将第一桥臂510、第二桥臂520以及第三桥臂530能够根据使用需求，以星型方式或三角形方式连接并入电网。

参照图6和图7，在本发明的一些实施例中，第一桥臂510串联有第一电感，第二桥臂520串联有第二电感，第三桥臂530串联有第三电感。

通过第一桥臂510串联有第一电感、第二桥臂520串联有第二电感、第三桥臂530串联有第三电感，以此在与电网连接时，有利于有功功率和无功功率的调节控制，抑制短路电流。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

当然，本发明创造并不局限于上述实施方式，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。