电能转换装置及相应的电能管理连接系统的制作方法

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种电能转换装置以及电能管理连接系统。

背景技术：

工业配电网领域，以太阳能、风能等清洁能源为原料的分布式电源技术迅速发展。这种容量在几千瓦至几兆千瓦的发电设备，连接在工业配电网中，可以与邻近的负荷构成配网子系统，也称微电网。工业微电网具有灵活的运行方式，既可并网运行，也可孤岛运行。并网运行时，微电网与电网之间的潮流具有双向性，微电网既可向电网输送过剩的功率，也可从电网获得功率补充；当电网出现故障时，微电网可以脱离电网形成孤岛，这样可以确保微电网内重要负荷的电力供应。但现有的电能转换以及管理系统结构复杂，可靠性不高，而且不能兼容交流和直流的同时输入输出。

因此，希望设计出一种应于工业配电网的、结构简单、安全性高、且能兼容交流和直流电能同时输入输出的电能转换以及管理系统。

技术实现要素：

本发明的一个目的在于提供结构更简单，安全性更高，且能兼容交流和直流电能同时输入输出的电能转换装置和电能管理连接系统。

根据本发明的一个实施例，提供了一种电能转换装置，所述电能转换装置包括：交流输入端，用于连接交流电输入；第一交流到直流转换模块，其输入端与所述交流输入端连接，用于将所输入的交流电转化成直流电；直流输入端，用于连接直流电输入；第一直流到交流转换模块，其输入端与所述直流输入端连接，同时连接所述第一交流到直流转换模块的输出，用于将所输入的直流电转化成交流电；变压器模块，其初级侧与所述第一直流到交流转换模块的输出 端连接；第二交流到直流转换模块，其输入端与所述变压器模块的次级侧连接，用于将所输入的交流电转化成直流电；直流输出端，与所述第二交流到直流转换模块的输出端连接，用于输出直流电能；交流输出端，用于输出交流电能；第二直流到交流转换模块，其输入端与所述第二交流到直流转换模块的输出端连接，用于将所输入的直流电转化成交流电，并将该交流电通过交流输出端输出。

可选地，所述第一交流到直流转换模块是整流桥电路。

可选地，所述第一直流到交流转换模块包含：升压斩波电路，全桥逆变电路和蓄电池接口；所述升压斩波电路的输入端与所述第一交流到直流转换模块的输出端连接，用于将所输入的直流电升压斩波；所述蓄电池接口与所述升压斩波电路的输出端连接，用于连接外接蓄电池以储存或放出直流电能；所述全桥逆变电路与升压斩波电路的输出端连接，用于把所输入的直流电转化成交流电。

可选地，所述升压斩波电路包含：电感，晶体管，二极管和电容；电感串接于第一交流到直流转换模块的输出端与晶体管的集电极之间，二极管和电容并接在晶体管的集电极和发射极之间，所述电容作为所述升压电路的输出端与所述全桥逆变电路以及蓄电池接口并接。

可选地，所述升压斩波电路包含：电感，晶体管，二极管和电容；电感串接于第一交流到直流转换模块的输出端与晶体管的集电极之间，二极管和电容串接后接在晶体管的集电极和发射极之间，所述电容作为所述升压电路的输出端与蓄电池接口的一侧连接，蓄电池接口的另一侧与全桥逆变电路的输入端连接。

可选地，所述第二交流到直流转换模块包含整流桥电路以及与所述整流桥电路并接的滤波电路。

可选地，所述第二直流到交流转换模块是一种全桥逆变电路。

根据本发明的一个实施例，提供了一种电能管理连接系统，所述电能管理连接系统包含：三相电能转换装置，其中每一相的电能转换装置是上述电能转换装置；交流源，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输入端连接，用于向相应电能变换装置输入交流电能；直流源，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输入端连接，用于向相应电能变换装置输 入直流电能；直流供电线路，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输出端连接，接收相应电能转换装置输出的直流电能；交流供电网，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输出端连接，接收相应电能转换装置输出的交流电能。

可选地，电能管理连接系统还包括：第一开关组，所述交流源通过所述第一开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输入端连接；第二开关组，所述直流源通过所述第二开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输入端连接；第三开关组，所述直流供电线路通过所述第三开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输出端连接。

可选地，电能管理连接系统还包括：变压器组，其初级侧与各相的电能转换装置的交流输出端连接，其中所述交流供电网连接所述变压器组的次级侧，从而通过变压器组与各相的电能转换装置的交流输出端连接。

由于根据本发明实施例的电能转换装置有交流输入端、直流输入端、直流输出端、交流输出端，因此能达到兼容交流和直流电能同时输入输出的效果。由于第一直流到交流转换模块与第二交流到直流转换模块通过变压器模块相连，实现了在电能转换过程中的高频电气隔离，如果第二交流到直流转换模块及其之后的部分发生短路等故障，则不会影响到第一直流到交流转换模块及其之前的部分，达到了安全性更高的效果。由于本发明实施例采用直流、交流输入/出端和一些转换模块的结构来实现上述功能，达到了结构简单的目的。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所做的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是根据本发明的实施例的电能管理连接系统的基本原理图；

图2是根据本发明的实施例的电能转换装置拓扑结构示意图；

图3是根据本发明的实施例的电能管理连接系统的结构示意图。

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。下文的公开提供了不同实施例或例子来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。

图1示出了根据本发明的实施例的电能管理连接系统的基本原理。该电能管理连接系统主要分为三个部分：输入级，中间级和输出级。其中，输入级包括交流源和直流源；中间级是一种电能变换装置，用于对所输入的电流进行功率变换；特别的，所述功率变换包含：交流到直流转换，交流到交流转换和直流到交流转换；输出级包括直流供电线路和交流供电网。输入级向中间级输入交流或直流电能，中间级根据需要对所输入电流进行功率转换，最后将转换后的电能以直流或交流电能的形式向输出级输出。该基本原理图描述的电能转换管理连接系统具有同时输入输出交流电和直流电的功能。

以下将根据本发明的实施例，并结合图2和图3详细的描述上述原理的具体实施方式。

图2示出了根据本发明的实施例的电能转换装置的拓扑结构。该电能转换装置包括：交流输入端010，用于输入交流电能；第一交流到直流转换模块020，其输入端与所述交流输入端010连接，用于将所输入的交流电转化成直流电；直流输入端030，用于输入直流电能；第一直流到交流转换模块040，其输入端与所述直流输入端030连接，同时连接所述第一交流到直流转换模块020的输出，用于将所输入的直流电转化成交流电；变压器模块050，其初级侧与所述第一直流到交流转换模块040的输出端连接；第二交流到直流转换模块060，其输入端与所述变压器模块050的次级侧连接，用于将所输入的交流电转化成直流电；直流输出端070，与所述第二交流到直流转换模块060的输出端连接，用于输出直流电能；交流输出端090，用于输出交流电能；第二直流到交流转换模块080，其输入端与所述第二交流到直流转换模块060的输出端连接，用于将所输入的直流电转化成交流电，并将该交流电通过交流输出端090输出。

可以看到，第一直流到交流转换模块040与第二交流到直流转换模块060通过变压器模块050相连，实现了在电能转换过程中的高频电气隔离，如果第二交流到直流转换模块060及其之后的部分发生短路等故障，则不会影响到第 一直流到交流转换模块040及其之前的部分。

在一个实施例中，所述第一交流到直流转换模块020是一种整流桥电路。所述整流桥电路包含四个二极管D1，D2，D3，D4。所述二极管两两对接后与电路的输出和输入端做桥式连接，构成基本整流功能模块。这里的整流桥电路也可以替换为不同形式的桥式整流器，只要具有将交流电转换为直流电的功能即可。

在一个实施例中，所述第一直流到交流转换模块040包含：升压斩波电路041，蓄电池接口042和全桥逆变电路043；所述升压斩波电路041的输入端与所述第一交流到直流转换模块020的输出端连接，用于将所输入的直流电升压斩波；所述蓄电池接口042与所述升压斩波电路041的输出端连接，用于连接外接蓄电池以储存或放出直流电能；所述全桥逆变电路043的输入端与升压斩波电路041的输出端连接，用于把所输入的直流电转化成交流电。

在一个实施例中，所述升压斩波电路041包含：电感L1，晶体管S1，二极管D5和电容C1；电感L1串接于第一交流到直流转换模块020的输出端与晶体管S1的集电极之间，二极管D5和电容C1串联后接在晶体管S1的集电极和发射极之间，所述电容C1作为所述升压电路的输出端与蓄电池接口042的一侧连接，蓄电池接口的另一侧与全桥逆变电路的输入端连接。该升压斩波电路041中，可通过控制晶体管S1的导通和关断，利用电感L1的储能作用，对电容两端电压进行升压，同时对电容两端的输入电流进行斩波，如果蓄电池接口042连接有外接蓄电池，那么在升压斩波的过程中就可以对蓄电池进行充电。通过控制晶体管S1的导通和断开次数，控制电容两端电压的最终大小。

在一个实施例中，所述全桥逆变电路包括四个晶体管S2，S3，S4，S5。晶体管S2的发射极与晶体管S4的集电极连接，晶体管S3的发射极与晶体管S5的集电极连接。串接的晶体管S2和S4与串联的晶体管S3和S5并联起来的并联点作为全桥逆变电路的输入端，晶体管S2和S4的连接点、晶体管S3和S5的连接点作为全桥逆变电路的输出端。

与现有技术的直流到交流，再接交流到直流所完成的直流到直流的转换功能相比，本发明在所述第一直流到交流转换模块040当中升压斩波电路041的输出端并入蓄电池接口042，该蓄电池接口042可以外接蓄电池，那么无论所述电能转换装置是否向外接输出电能，都可以在有电能输入时，将电能储存起来； 并且可以在无电能输入所述电能转换装置时，所连接的蓄电池可以充当电能输入，通过该电能转换装置向外界输出电能。此外，该蓄电池接口042位于第一交流到直流转换模块020以及升压斩波电路041下游，也就是说插接于该蓄电池接口的电池可以同时储存来自交流和直流的电能。如此设计减小了电力电子系统的规模，更重要的是，使所述电能转换装置较传统的电能转换装置具有储能功能，且同时可储存来自交流和直流的电能。

在一个实施例中，所述第二交流到直流转换模块060包含整流桥电路061以及与所述整流桥电路并接的滤波电路062。所述整流桥电路包含四个二极管D6，D7，D8，D9，形成桥式连接。滤波电路062包括起滤波作用的电容C2和C3。D6-D9以及C2-3之间的连接关系见图2。

在一个实施例中，所述第二直流到交流转换模块080是一种全桥逆变电路。所述全桥逆变电路包括四组晶体管与二极管组合Z1，Z2，Z3，Z4,形成桥式连接。Z1，Z2，Z3，Z4中的每一个分别包括并联的晶体管和二极管。Z1，Z2，Z3，Z4之间的连接关系和内部连接关系见图2。通过控制所述晶体管导通和关断的相位，来控制输出交流电压的占空比，进而控制其频率和幅值。

在一个实施例中，三套电能转换装置可以并联在一起，构成三相电能转换电力电子系统，如图3中S100所示，其中，各相电能转换装置P1，P2，P3可拆卸，可更换。

图3示出了据本发明的实施例的电能管理连接系统的拓扑结构，该电能管理连接系统包括：

三相电能转换装置P1，P2，P3，其中每一相的电能转换装置是如上所述的电能转换装置；

交流源S600，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输入端连接，用于向相应电能变换装置输入交流电能；

直流源S700，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输入端连接，用于向相应电能变换装置输入直流电能；

直流供电线路S800，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输出端连接，接收相应电能转换装置输出的直流电能；

交流供电网S900，与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输出端连接，接收相应电能转换装置输出的交流电能。

该电能管理连接系统还可以包括：

第一开关组S200，所述交流源通过所述第一开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的交流输入端连接；

第二开关组S300，所述直流源通过所述第二开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输入端连接；

第三开关组S400，所述直流供电线路通过所述第三开关组与所述三相电能转换装置的各相的电能转换装置的直流输出端连接。

该电能管理连接系统还可以包括：

变压器组S500，其初级侧与各相的电能转换装置的交流输出端连接，其中所述交流供电网连接所述变压器组的次级侧，从而通过变压器组与各相的电能转换装置的交流输出端连接。

在一个实施例中，交流源S600是风力发电产生的交流电源；交流源传输电能采用四线三相接法；直流源S700是直流源是太阳能电池，燃料电池，生物质以及超级电容产生的直流电源；所述电源均为分布式发电设备。

在一个实施例中，第一开关组S200和第二开关S300组可以分别接通或者同时接通，用于分别向所述三相电能转换电力电子系统S100提供直流或交流电能，或者同时向所述三相电能转换电力电子系统S100提供直流和交流电能。

在一个实施例中，第三开关组S400断开时，所述三相电能转换电力电子系统S100只向交流供电网S900输出交流电能；第三开关S400组接通时，所述三相电能转换电力电子系统S100同时分别向所述直流供电线路S800和所述交流供电网S900输出直流电能和交流电能。

所述电能转换装置设有交流输入端010，直流输入端030，交流输出端090，直流输出端070，而在所述电能管理连接系统S100中，可切换各组开关，对交流源S600和直流源S700电能的输入，和对直流供电线路的输出进行控制，这样就达到了在一个电能管理连接系统S100中，通过一个电能转换装置，同时具有交流和直流输入输出的功能。

另外，采用变压器组S500耦联所述三相电能转换电力电子系统S100的交流输出端070和交流供电网S900，实现了电能转换装置与供电网间的电气隔离。

与现有技术中直流电能的使用均需从交流电网中再转换相比，所述电能转换装置的直流输出端070位于所述第二直流到交流转换模块080前，并可通过 第三开关组S400连接直流供电线路，该直流供电线路可直接为邻近负荷提供直流电能。如此就在所述电能转换装置附近形成了由邻近负荷以及电能装换装置构成的微电网，大大简化了邻近直流供电的电能转换步骤，提高效率，节省能源。