基于能源路由器的直流配电网设计方案分析

伴随电网的用电负荷迅猛增加，原先的配电网系统将面对越来越多的各种问题。例如，分布式发电及储能技术发展迅速，如何将这些新兴电源有效地接入传统的交流电网？城市发展对电源建设和线路走廊的制约越来越多，导致负荷中心的无功电源更为不足；直流负荷或直流环节的负载日益增多，亟待发展更为有效的供电模式以满足负荷的快速增长。随着电力电子技术发展日趋成熟，重新探索直流方式配电的效果，可为当前日益发展的电网提供一条解决配网问题的新思路。

直流配电网是以直流为主导的电能配送系统，具有解决现代配电系统面临挑战的潜力。直流配电的主要技术特征：

（1）直流配电更为可靠：线路故障率较交流系统更低，可单极运行，响应快、恢复时间短；

（2）直流配电效率更高：线路损耗低于交流配电，可直接为日益增多的直流负载提供电能；

（3）可提高电能质量；

（4）易于实现分布式发电互联。直流配电在提供高效电能转换与控制的同时，由于并列运行换流器的数量大、种类数量大，会面对可靠的性能、安全的性能等方面的种种问题，以及直流电力电子装置的体积、重量、维护和运行费用等问题。因此，考虑到目前直流配电存在的问题，需要一种新的直流配电网以解决信息可靠收集、能量有效流动等问题。

系统设计

图1为文章提出的一种基于能源路由器的直流配电网结构示意图，该配电网包括能源路由器单元、至少一个信息收集单元、至少一个能量信息转换单元、至少一个交流母线单元、至少一个 AC/DC模块单元、至少一个交流负荷单元、至少一个光伏发电装置单元、至少一个储能装置单元、至少一个风力发电装置单元、至少一个电动汽车充电装置单元；其中，能源路由器单元的信息流信号和控制信息流信号基于Z-Wave无线通信技术进行传输，AC/DC 模块单元包括一组双Buck 型换流器和一个工频逆变桥。

系统各模块构成及作用

能源路由器单元：与交流电网、信息收集1装置、信息收集2装置、信息收集3装置、信息收集4单元、能量信息转换1单元、能量信息转换2单元、能量信息转换3单元、能量信息转换4单元连接；

交流母线单元：与交流电网、交流负荷1装置、交流负荷2装置、AC/DC模块1装置、AC/DC模块2装置、AC/DC模块3装置、AC/DC模块4装置相连；

AC/DC模块1单元：与交流母线单元、光伏发电装置单元连接；

AC/DC模块2单元：与交流母线单元、储能装置单元连接；

AC/DC模块3单元：与交流母线单元、风力发电装置单元连接；

AC/DC模块4单元：与交流母线单元、电动汽车充电装置单元连接；

光伏发电装置单元：与AC/DC模块1单元、信息收集1单元连接；

储能装置单元：与AC/DC模块2单元、信息收集2单元连接；

风力发电装置单元：与AC/DC模块3单元、信息收集3单元连接；

电动汽车充电装置单元：与AC/DC模块4单元、信息收集4单元连接；

信息收集1单元：与光伏发电装置单元、能量信息转换1单元连接；

信息收集2单元：与储能装置单元、能量信息转换2单元连接；

信息收集3单元：与风力发电装置单元、能量信息转换3单元连接；

信息收集4单元：与电动汽车充电装置单元、能量信息转换4单元连接。

Buck-Buck 型换流器拓扑设计

 

图2为文章配电网系统所采用Buck-Buck型换流器拓扑示意图。图2中C表示电容，D表示二极管，S表示开关，T表示绝缘栅双极型晶体管，R表示电阻，L表示电感；T1、T2、T3、T4、T5及T6共同组成IGBT的ABC桥型电路。图2中Sa、Sb、Sc为两向开关，其频率为50Hz的2倍左右。S1、S2一般运行在较高的频率，S1、L1、D1及S2、L2、D2综合起来组成最终的Buck-Buck型换流器。基于具有逆变作用的桥型电路，以及频率高于50Hz数倍的两向开关，将拓扑结构分开为两个Buck-Buck换流器，从而实现了实际电路电流的有效控制。