一种基于混合器件的多端口数字化路由系统及控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器及控制技术领域，具体涉及一种基于混合器件的多端口数字化路由系统及控制方法。

背景技术

随着全球能源绿色低碳转型的规模化发展，大型分布式发电设备连接到电网，能源互联网的供电多样性、能量双向流动甚至多向流动以及功率调控等特点日益显现，单一电能变换装置存在体积大、稳定性不高、能源流动模式和适用范围局限等缺点，难以满足可再生能源大规模使用和复杂应用场合的苛刻需求。

能量路由器是在电力电子变压器拓扑结构的基础上发展起来的一种电能变换装置，借助其多输入多输出的结构特性已经成为了能源互联网的核心设备，国内外对能量路由器进行了部分研究，已证实其在多端直流供电系统、高压直流输电中的应用，但在多种能源、多储能设备、多用户接入的交直流负载情况下，能源路由器内部的拓扑结构复杂，用户难以监测并控制其实时运行状态。

此外，作为能量路由器核心的功率器件，市面上常采用具有电流容量大、导通压降低、以及成本较低等优点的Si IGBT作为其开关器件，但是受限于材料特性所决定的性能理论极限，在能量路由器中采用Si基功率器件难以满足其高效、高功率密度的应用需求。而采用高开关频率的第三代半导体器件SiC MOSFET则存在成本高、容量小和可靠性较差等缺陷。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明所提出的多端口数字化路由系统及控制方法，可以不仅实现电能的多向流动，且具有实时通讯功能，采用混合器件不仅有效提高了其功率密度、效率和冗余性能，且可根据不同应用场合和需求选择不同功率器件工作模式；该新型路由系统能够满足新形势下的用户更复杂的应用需求；本发明设计了一种基于混合器件的多端口数字化路由系统，具体技术方案如下：包括路由器，所述路由器包括输入级和输出级，所述输入级和输出级共同连接直流母线，所述输入级包括双向AC-DC逆变器和双向DC-DC逆变器，所述输入级的双向AC-DC逆变器和双向DC-DC逆变器分别连接交流电网和直流电网，所述输出级包括双向DC-AC逆变器和双向DC-DC逆变器，所述输出级的双向DC-AC逆变器和双向DC-DC逆变器分别连接交流负载和直流负载，所述输入级和输出级通过通讯连接线连接数字化控制系统，所述输入级和输出级的各逆变器内设置由Si IGBT和SiCMOSFET并联组成的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件，所述数字化控制系统实时检测输入级的电网接入信号和输出级的负载接入信号，实现能量的互通。

优选的，所述双向AC-DC逆变器和所述双向DC-AC逆变器采用两电平三相整流电路，所述双向DC-DC逆变器采用Buck-Boost型电路。

优选的，所述数字化控制系统包括可触摸的上位机和下位机，所述上位机中的触摸屏硬件部分采用TPC7032KI作为MGSS载体，并且作为主机，软件部分采用配套的MCGSPRO嵌入版全中文工控组态软件，所述上位机连接下位机，所述下位机采用多个DSP控制板协同控制，所述DSP控制板连接各逆变器，所述DSP控制板通过采样电路获得路由器中各逆变器的实时状态信号，传输给上位机。

优选的，所述Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的驱动电路采用2ED020112-F2作为驱动芯片，可同时控制驱动Si IGBT器件和SiC MOSFET器件，具有电压检测、欠压锁定及短路保护的功能。

优选的，一种基于混合器件的多端口数字化路由系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：数字化控制系统中的下位机实时检测输入级的电网接入信号和输出级的负载接入信号；

步骤S2：下位机将电网接入信号和负载接入信号传输给上位机；

步骤S3：上位机发出控制指令给下位机，下位机中的DSP控制板控制各逆变器中的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件工作；

步骤S4：开关Si IGBT/SiC MOSFET混合器件调节各逆变器的通断，最终实现多种能源转换模式，完成能量的多向流动。

优选的，所述多种能源转换模式包括：

S401：AC/DC模式，上位机通过下位机检测到交流电网和直流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制所述输入级的双向AC-DC逆变器将交流电网中三相交流电压转换为直流母线同等级电压，再经过所述输出级的双向DC-DC逆变器升降压后为直流负载供电，实现交流电能到直流电能的转换；

S402：AC/AC模式，上位机通过下位机检测到交流电网和交流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制所述输入级的双向AC-DC逆变器将交流电网中三相交流电压转换为直流母线同等级电压，再经过所述输出级的双向DC-AC逆变器逆变后为交流负载供电，实现交流电能到交流电能的转换；

S403：DC/DC模式，上位机通过下位机检测到直流电网和直流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制所述输入级的双向DC-DC逆变器将直流电网中输入的直流电压转换为直流母线同等级电压，再经过所述输出级的双向DC-DC逆变器升降压后为直流负载供电，实现直流电能到直流电能的转换；

S404：DC/AC模式，上位机通过下位机检测到直流电网和交流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制所述输入级的双向DC-DC逆变器将直流电网中输入的直流电压转换为直流母线同等级电压，再经过所述输出级的双向DC-AC逆变器升降压后为交流负载供电，实现直流电能到交流电能的转换。

优选的，所述Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的工作模式包括：

S301：混合工作模式，即所述各逆变器中的Si IGBT器件和SiC MOSFET器件同时工作，当其中一个器件运行出现故障后，仍能通过另一个器件在一定范围内稳定运行；

S302：单Si IGBT工作模式，数字化控制系统关断SiC MOSFET器件，即Si IGBT器件工作，满足高压大电流工作条件下大载流能力、低导通损耗以及高可靠性的应用需求；

S303：单SiC MOSFET工作模式，数字化控制系统关断Si IGBT器件，即SiC MOSFET器件工作，满足中低压工作条件下高开关速度、低开关损耗以及耐高温等高性能应用需求。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的多端口数字化路由系统可实现一机多用，用户可以按需求灵活地实现多种变流方式，突破了传统电源装备功能单一、灵活性差等缺陷；Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的工作模式，使其在较低成本下实现变换器的高性能、高可靠性以及高冗余性，保证了整个系统在单一器件出现异常时，仍能满足供电的正常需求，另一方面使得变换器有了多种功率器件工作模式的选择，使其可以满足不同场合的应用需求，实现能源的高效利用，多种能量的转换形式，完全能应对多种组合电网及多种负载需求，数字化控制系统通过上位机和下位机的组合形式及软硬件结合的生态，用户可方便的监控整个系统的运行状态，并根据不同场合及需求，完成对系统的调控。本发明的控制方法简单高效，能及时调控，并对多种复杂场景的不同需求，响应时间快，处理效率更高。

附图说明

图1为本发明实施例1一种基于混合器件的多端口数字化路由系统的系统框图；

图2为本发明实施例2混合器件的工作模式应用于交流电网和直流负载/储能场合的示意图；

图3为本发明实施例3单SiC MOSFET工作模式应用于光伏发电和电动汽车场合的示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式的描述对本发明作进一步说明，但这并非是对本发明的限制，本领域技术人员根据本发明的基本思想，可以做出各种修改或改进，但是只要不脱离本发明的基本思想，均在本发明的保护范围之内。

参阅图1，本发明提供的一种实施例1如下:

一种基于混合器件的多端口数字化路由系统，具体技术方案如下：包括路由器，路由器包括输入级和输出级，输入级和输出级共同连接直流母线，输入级包括双向AC-DC逆变器和双向DC-DC逆变器，输入级的双向AC-DC逆变器和双向DC-DC逆变器分别连接交流电网和直流电网，输出级包括双向DC-AC逆变器和双向DC-DC逆变器，输出级的双向DC-AC逆变器和双向DC-DC逆变器分别连接交流负载和直流负载，输入级和输出级通过通讯连接线连接数字化控制系统，输入级和输出级的各逆变器内设置由Si IGBT和SiC MOSFET并联组成的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件，数字化控制系统实时检测输入级的电网接入信号和输出级的负载接入信号，实现能量的互通。

双向AC-DC逆变器和双向DC-AC逆变器采用两电平三相整流电路，双向DC-DC逆变器采用Buck-Boost型电路。

数字化控制系统包括可触摸的上位机和下位机，上位机中的触摸屏硬件部分采用TPC7032KI作为MGSS载体，并且作为主机，定时读取A/D采样后存于DSP内部存储器的电流电压采样值，并对电流电压等参数的超限做出报警反应；软件部分采用配套的MCGSPRO嵌入版全中文工控组态软件，上位机连接下位机，下位机采用多个DSP控制板协同控制，DSP控制板连接各逆变器，DSP控制板通过采样电路获得路由器中各逆变器的实时状态信号传输给DSP控制板进行计算，经过处理后通过串口传送给上位机显示，并根据上位机发出的控制指令，发出PWM控制不同的逆变器功率器件的通断，实现能量的多向流动。数字化控制系统具有灵活的人机界面，用户可方便地监控路由系统的运行状态，并且根据所在场合及需求，给下位机发出相应的控制指令。

当系统处于并网模式时，能量传输方向是由电网和新能源发电侧到负载侧，储能模块在用电低谷期储存电网或新能源微电网发出的冗余电能，在用电高峰期可对大电网进行能量补充；当系统处于离网模式时，能量传输由新能源发电侧和储能侧到负载侧，能量经输入级的双向DC/DC逆变器将电能抬升至直流母线电压，之后根据负荷的种类，通过输出级的双向DC/DC逆变器或者双向DC/AC逆变器给相应负载供电。该新型路由系统可实现一机多用，用户可以按需求灵活地实现多种变流方式，突破了传统电源装备功能单一、灵活性差等缺陷。

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的驱动电路采用2ED020112-F2作为驱动芯片，可同时控制驱动Si IGBT器件和SiC MOSFET器件，具有电压检测、欠压锁定及短路保护的功能。

一种基于混合器件的多端口数字化路由系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤S1：数字化控制系统中的下位机实时检测输入级的电网接入信号和输出级的负载接入信号；

步骤S2：下位机将电网接入信号和负载接入信号传输给上位机；

步骤S3：上位机发出控制指令给下位机，下位机中的DSP控制板控制各逆变器中的Si IGBT/SiC MOSFET混合器件工作；

步骤S4：开关Si IGBT/SiC MOSFET混合器件调节各逆变器的通断，最终实现多种能源转换模式，完成能量的多向流动。

多种能源转换模式包括：

S401：AC/DC模式，上位机通过下位机检测到交流电网和直流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制输入级的双向AC-DC逆变器将交流电网中三相交流电压转换为直流母线同等级电压，再经过输出级的双向DC-DC逆变器升降压后为直流负载供电，实现交流电能到直流电能的转换；

S402：AC/AC模式，上位机通过下位机检测到交流电网和交流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制输入级的双向AC-DC逆变器将交流电网中三相交流电压转换为直流母线同等级电压，再经过输出级的双向DC-AC逆变器逆变后为交流负载供电，实现交流电能到交流电能的转换；

S403：DC/DC模式，上位机通过下位机检测到直流电网和直流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制输入级的双向DC-DC逆变器将直流电网中输入的直流电压转换为直流母线同等级电压，再经过输出级的双向DC-DC逆变器升降压后为直流负载供电，实现直流电能到直流电能的转换；

S404：DC/AC模式，上位机通过下位机检测到直流电网和交流负载的接入，给下位机发出控制信号，DSP控制板通过控制输入级的双向DC-DC逆变器将直流电网中输入的直流电压转换为直流母线同等级电压，再经过输出级的双向DC-AC逆变器升降压后为交流负载供电，实现直流电能到交流电能的转换。

Si IGBT/SiC MOSFET混合器件的工作模式包括：

S301：混合工作模式，即各逆变器中的Si IGBT器件和SiC MOSFET器件同时工作，具有冗余优势，即当其中一个器件运行出现故障后，仍能通过另一个器件在一定范围内稳定运行。

S302：单Si IGBT工作模式，数字化控制系统关断SiC MOSFET器件，即Si IGBT器件工作，充分发挥Si IGBT优势，可满足高压大电流工作条件下大载流能力、低导通损耗以及高可靠性的应用需求。

S303：单SiC MOSFET工作模式，数字化控制系统关断Si IGBT器件，即SiC MOSFET器件工作，充分发挥SiC MOSFET优势，可满足中低压工作条件下高开关速度、低开关损耗以及耐高温等高性能应用需求。

参阅图2，本发明提供的一种实施例2如下：

如图2所示为在Si IGBT/SiC MOSFET混合器件工作情况下，应用于交流电网和直流负载/储能场合的示意图，数字化控制系统中的下位机检测到接入交流输入信号和直流负载信号，将信号传输给上位机，上位机控制下位机，下位机中的DSP控制板，控制输入级中双向AD/DC逆变器的Si IGBT/ SiC MOSFET混合器件工作，使交流电接入输出级的双向AD/DC逆变器转换后到达直流母线中，下位机中的DSP控制板控制输出级中双向DC/DC逆变器中的Si IGBT/ SiC MOSFET混合器件工作，致使直流母线中的直流电经过输出级的双向DC/DC逆变器，从而流通至直流负载中，直流负载也可选择储能装置，以备电能储存。路由系统选择工作在AC/DC模式和混合器件工作模式，结合了Si IGBT器件和 SiC MOSFET器件二者的优势，满足了该应用场合对电能变换装置的效率、功率密度以及可靠性的苛刻的要求，实现了交流电能向直流电能的高效转换。

参阅图3，本发明提供的一种实施例3如下：

如图3所示为本发明在单SiC MOSFET工作模式应用于光伏发电和电动汽车场合的示意图，数字化控制系统中的下位机检测到接入直流输入信号和交流负载信号，将信号传输给上位机，上位机控制下位机，下位机中的DSP控制板，控制输入级中双向DC/DC逆变器的SiC MOSFET器件工作，使光伏发电产生的直流电接入输出级的双向DC/DC逆变器转换后到达直流母线中，下位机中的DSP控制板控制输出级中双向DC/AC逆变器中的SiC MOSFET器件工作，致使直流母线中的直流电经过输出级的双向DC/AC逆变器，从而流通至交流负载中，交流负载可替换为电动汽车等交流负载场合。路由系统选择工作在DC/AC模式和单SiCMOSFET工作模式，充分发挥了SiC MOSFET优势，满足了高开关速度、低开关损耗以及耐高温等高性能应用需求，同时可推动装置向轻量化、高效、小型化的方向发展，实现了新能源直流电能向交流电能的高效转换。

本发明的一种基于混合器件的多端口数字化路由系统充分解决了目前社会中能源互联网的供电多样性、能量双向流动以及多向流动以及功率调控等复杂场景的需求，满足大规模可再生能源和复杂苛刻的应用场合、多种能源、多储能设备、多用户接入的使用，且本发明的控制方法简单，整套系统响应时间快，为日后电力能源的发展提供了技术基础。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变，因此，举凡所述技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。