一种交直流通用端口设备及转换方法与流程

本发明实施例涉及通信技术、电力传输技术领域，更具体地，涉及一种交直流通用端口设备及转换方法。

背景技术：

能源互联网是综合运用先进的电力电子技术，信息技术和智能管理技术，将大量由分布式能量采集装置，分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络、石油网络、天然气网络等能源节点互联起来，以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。

目前，能源互联网运行时需要接入不同种类、不同规格的分布式可再生能源互联网设备，如风电、光伏、储能等。它们各自具有不同的能源生产特性，能够产生交直流等不同形式、不同幅度的电压和电流。如何将各种类型的分布式能源设备快速、有效的接入能源互联网是能源互联网需要解决的关键问题。

各种类型的能源设备接入能源互联网时需要进行能源转换。传统的控制器在处理各类型的能源设备的接入时，针对不同类型的能源设备需要通过复杂的交直流模拟转换设备(如传统a/d/a设备)或变压器装置实现能源的有效接入、转换和控制，并且每种转换都需要不同的设备，比如交流到直流的转换、直流到交流的转换，这样会导致设备的多样性且复杂度增加，同时带来了一定的能源损耗，没有一个通用的能源转换的设备或通用的转换方法。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的交直流通用端口设备及转换方法。

根据本发明实施例的一个方面，提供一种交直流端口设备，包括交流交流转换模块、直流直流转换模块、交流直流转换模块、直流交流转换模块以及开关控制模块；

所述交流交流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行调制且进行滤波，将输入的交流信号转换为目标频率的交流信号输出；

所述直流直流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行斩波，将输入的直流信号转换为目标幅度和占空比的直流信号输出；

所述交流直流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行调制，将输入的交流信号转换为目标幅度和占空比的直流信号输出；

所述直流交流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行斩波且进行滤波，将输入的直流信号转换为目标频率的交流信号输出；

所述开关控制模块，用于进行开关切换，以实现所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换。

进一步，所述交直流端口设备还包括直流输入端口、直流/单相交流输出端口、交流输入端口、交流输出端口和直直变换输出端口；

所述开关控制模块，进一步用于：

闭合所述直流输入端口和所述交流输出端口对应开关，以实现直流到交流的转换；或者

闭合所述交流输入端口与所述直流/单相交流输出端口对应开关，以分别实现交流到直流的转换或交流到交流的转换；或者

闭合所述直流输入端口和所述直直变换输出端口对应开关，以实现直流到直流的转换。

进一步，所述交直流端口设备还包括：与所述交流输出端口并联的低通滤波器；

所述低通滤波的一端连接pwm调制解调电路，另一端通过输出端口连接用户设备，用于滤除直流到交流转换过程中的杂波。

进一步，所述交流交流转换模块，进一步用于：先将输入的交流信号通过pwm调制形成目标频率对应的直流信号，然后通过低通滤波器恢复成所述目标频率的交流信号，并进行输出；

所述直流直流转换模块，进一步用于：将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以实现直流信号幅度与占空比的变化，从而获得目标幅度与占空比的直流信号，并进行输出；

所述交流直流转换模块，进一步用于：基于输入的交流信号，对电路开关器件的通断进行控制，获得一系列幅值相等的脉冲；基于pwm调制技术，按预定规则对各脉冲的宽度进行调制，从而获得目标幅度和占空比的直流信号，并进行输出。

所述直流交流转换模块，进一步用于：先将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以改变直流信号的电压、占空比和等价交流信号频率；然后基于面积等效原理，将斩波后的信号通过目标频率的低通滤波器，从而获得目标频率的交流信号，并进行输出。

根据本发明实施例的另一个方面，还提供一种基于交直流端口设备的交直流转换方法，包括：

利用所述交直流端口设备将能源设备接入网络，建立通信链路和能源连接链路；

根据所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率，对经过所述能源设备的电信号进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换。

进一步，所述根据所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率，对经过所述能源设备的电信号进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

通过所述通信链路获取所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率；

根据所述设备型号和电能格式，选择对应的驱动程序；

根据所述电能格式和所述电信号频率，利用所述驱动程序控制所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，以实现对经过所述能源设备的电信号的转换。

进一步，所述利用所述驱动程序控制所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

闭合所述直流输入端口和所述交流输出端口对应开关，以实现直流到交流的转换；或者

闭合所述交流输入端口与所述直流/单相交流输出端口对应开关，以分别实现交流到直流的转换或交流到交流的转换；或者

闭合所述直流输入端口和所述直直变换输出端口对应开关，以实现直流到直流的转换。

进一步，所述进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

先将输入的交流信号通过pwm调制形成目标频率对应的直流信号，然后通过低通滤波器恢复成所述目标频率的交流信号，并进行输出；或者

将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以实现直流信号幅度与占空比的变化，从而获得目标幅度与占空比的直流信号，并进行输出；或者

基于输入的交流信号，对电路开关器件的通断进行控制，获得一系列幅值相等的脉冲；基于pwm调制技术，按预定规则对各脉冲的宽度进行调制，从而获得目标幅度和占空比的直流信号，并进行输出；或者

先将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以改变直流信号的电压、占空比和等价交流信号频率；然后基于面积等效原理，将斩波后的信号通过目标频率的低通滤波器，从而获得目标频率的交流信号，并进行输出。

具体的，所述驱动程序在所述交直流端口设备内运行。

本发明实施例提出一种交直流通用端口设备，在一个硬件设备上集成了交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换和直流交流转换功能，实现了对网络中各种不同类型的能源设备的通用接口，满足不同类型、不同种类生产设备高效运行，能够极大的降低硬件设计的复杂度，减轻硬件生产成本；通过本发明实施例提供的一种交直流转换方法，可以自适应的获取网络中各能源设备的设备型号等信息，从而自适应的驱动电信号的转换，大大提高能源转换效率，提高能量路由器乃至能源互联网的整体性能。

附图说明

图1为本发明实施例所述交直流通用端口设备的模块框架示意图；

图2为本发明实施例基于igbt的交直流通用端口设备的电路示意图；

图3为本发明实施例所述交直流转换方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

不同于传统的多端口变换设备和方法，本发明实施例针对各种类型(光伏、风电、天然气涡轮发电设备、各种类型的用电负荷设备)的分布式能源互联网设备需要快速、有效的接入能源互联网的需求，采用统一的硬件设计，即通过相同的电路设计和硬件接口接入不同种类的能源互联网设备，将分布式能源设备直接接入统一的通用接口设备及即交直流通用端口设备中，由通用接口设备对分布式发电相关功能进行管理。

在此情况下，交直流通用端口设备在通过驱动程序控制对应能源互联网设备的同时，通过脉冲宽度调制(pwm)实现对交流和直流两种类型电力能源的有效接入和转换。

脉冲宽度调制根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或mos管栅极的偏置，来实现晶体管或mos管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。

脉冲宽度调制基于面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同，由此证明了基于pwm进行交直流转换的理论可行性。将pwm调制解调方法用于交直流转换具有设计简单，损耗较低等特点。

需要说明的是，本发明实施例以能源互联网为例说明本发明实施例所述交直流通用端口设备，但所述交直流通用端口设备的应用并不限于能源互联网，包括能源互联网在内的所有互联网中有交直流转换需要的，都可以应用本发明实施例所述交直流通用端口设备。

以下详细描述本发明实施例的技术方案。

图1为本发明实施例所述交直流通用端口设备的模块框架示意图，如图1所述，一种交直流端口设备，包括交流交流转换模块、直流直流转换模块、交流直流转换模块、直流交流转换模块以及开关控制模块；

所述交流交流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行调制且进行滤波，将输入的交流信号转换为目标频率的交流信号输出，对应图1中的“pwm调制+低通滤波交流变交流”模块；

所述直流直流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行斩波，将输入的直流信号转换为目标幅度和占空比的直流信号输出，对应图1中的“斩波(pwm)直流变直流”模块；

所述交流直流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行调制，将输入的交流信号转换为目标幅度和占空比的直流信号输出，对应图1中的“pwm调制交流变直流”模块；

所述直流交流转换模块，用于利用脉宽调制pwm技术进行斩波且进行滤波，将输入的直流信号转换为目标频率的交流信号输出，对应图1中的“斩波(pwm)+低通滤波直流变交流”模块；

所述开关控制模块，用于进行开关切换，以实现所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，对应图1中的“功能选择”模块。

本发明实施例提出一种交直流通用端口设备，在一个硬件设备上集成了多个电信号转换模块，包括交流交流转换模块、直流直流转换模块、交流直流转换模块和直流交流转换模块，以通过一个硬件设备实现交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换和直流交流转换功能，可以以统一通用的硬件接口接入各种能源互联网设备，通过数字化控制实现所需电能的交直流形式转换。每次使用时，通过开关控制模块选择一个合适的电信号转换模块实现相应的转换。

通过所述交直流通用端口设备，可以实现能源互联网设备在能量路由器端口上的即插即用，可以实现对网络中各种不同类型的能源设备的通用接口，满足不同类型、不同种类生产设备高效运行，能够极大的降低硬件设计的复杂度，减轻硬件生产成本。

本发明实施例所述交直流通用端口设备基于igbt模块实现，以pwm技术和igbt器件为核心的交直流通用端口设备，通过数字化的形式控制和转换模拟电能信号，大大提高了能量转换效率，降低了能量转换损耗，体现了一定的先进性。

本发明实施例基于igbt控制的交直流通用端口设备还具有平稳电压、电流以及有功、无功支撑、故障恢复等功能，其性能和效率优于传统的电能转换设备。

请参考图2，在一个可选的实施例中，所述交直流通用端口设备还包括直流输入端口、直流/单相交流输出端口、交流输入端口、交流输出端口和直直变换输出端口；

所述开关控制模块，进一步用于：

闭合所述直流输入端口和所述交流输出端口对应开关，以实现直流到交流的转换；或者

闭合所述交流输入端口与所述直流/单相交流输出端口对应开关，以分别实现交流到直流的转换或交流到交流的转换(图2中略去了滤波器模块)；或者

闭合所述直流输入端口和所述直直变换输出端口对应开关，以实现直流到直流的转换。

因为交流设备仅使用单相+地线或双相供电，所以交流直流设备接入可以使用统一的接口和插头。

本发明实施例中，当能源设备通过所述交直流通用端口设备接入网络时，会首先对能源设备用能的交直流属性进行判断。然后关闭所述交直流通用端口设备内不同的电信号转换模块对应的输入和输出端口线路开关，建立能量转换和传输路径，并由控制程序通过对igbt模块组的开关式的操作和控制实现指定形式的交直流转换相关功能。当能量传输结束并拔出插头时，开关控制模块打开对应的输入和输出端口线路开关，终止能源设备的通信链接和能量传输过程。

请参考图2，在一个可选的实施例中，所述交直流通用端口设备还包括：与所述交流输出端口并联的低通滤波器；

所述低通滤波的一端连接pwm调制解调电路，另一端通过输出端口连接用户设备，用于滤除直流到交流转换过程中的杂波。

在一个可选的实施例中，所述交流交流转换模块，进一步用于：先将输入的交流信号通过pwm调制形成目标频率对应的直流信号，然后通过低通滤波器恢复成所述目标频率的交流信号，并进行输出；

所述直流直流转换模块，进一步用于：将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以实现直流信号幅度与占空比的变化，从而获得目标幅度与占空比的直流信号，并进行输出；

所述交流直流转换模块，进一步用于：基于输入的交流信号，对电路开关器件的通断进行控制，获得一系列幅值相等的脉冲；基于pwm调制技术，按预定规则对各脉冲的宽度进行调制，从而获得目标幅度和占空比的直流信号，并进行输出。

所述直流交流转换模块，进一步用于：先将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以改变直流信号的电压、占空比和等价交流信号频率；然后基于面积等效原理，将斩波后的信号通过目标频率的低通滤波器，从而获得目标频率的交流信号，并进行输出。

基于上述描述，本发明实施例所述交直流通用端口设备主要实现四大功能，包括：

功能1、交流转换为交流。因为输入的交流信号与目标交流信号的幅度和/或频率不相同，所以需要转换。先通过pwm调制形成指定频率对应的直流信号，然后通过低通滤波恢复成指定频率的交流信号。

功能2、直流转换为直流。因为输入的直流信号与目标直流信号的幅度和/或占空比不相同，所以需要转换。可以通过pwm电路的斩波功能实现直流信号幅度与占空比的变化。

功能3、交流转换为直流。输入为交流信号，输出为直流信号。基于pwm调制技术，对电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，通过按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可获得所需的直流信号。

功能4、直流转换为交流。输入为直流信号，输出为交流信号。在总能量基本不变的条件下，首先经过斩波功能(同样基于pwm技术实现)改变直流信号的电压、占空比和等价交流信号频率等参数，然后基于面积等效原理，将信号通过一个指定频率的低通滤波器即可生成所需的交流信号。

基于pwm原理，所述交直流通用端口设备通过对端口中igbt模块的充放电时序控制，可以以数字化的方式分别实现传统电路的斩波(pwm控制)、整流(pwm调制)和逆变(低通滤波器)等功能。

综上所述，本发明实施例所述交直流端口设备，通过统一的接口设计可以满足不同类型、不同种类生产设备的高效运行；通过数字化控制实现灵活、有效的交直流转换功能，可以大大提高能源转换效率，提高能量路由器乃至能源互联网的整体性能。

网络中能源设备通过对所述交直流端口设的使用，可以大大降低能源互联网设备的接入和设计成本，降低能源传输损耗，为用户间自由、灵活、开放的能源共享提供保证。

基于本发明实施例所述交直流端口设备，本发明实施例还提供一种交直流转换方法，实现了基于硬件通用化、控制数字化的能源设备自动接入能量路由器的相关功能。

图3为本发明实施例所述交直流转换方法流程示意图，如图3所示，本发明实施例提供一种基于交直流端口设备的交直流转换方法，包括：

利用所述交直流端口设备将能源设备接入网络，建立通信链路和能源连接链路；

根据所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率，对经过所述能源设备的电信号进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换。

本发明实施例首先通过交直流端口设备将需要接入网络的能源设备接入到网络中，并建立通信链路和能源连接链路；然后根据能源设备的相关信息选择合理的电信号转换模式进行电信号的转换；其中所述能源设备的相关信息设备型号、电能格式和电信号频率，电能格式包括直流/交流电能形式，额定电压和电流幅度等；所述电信号转换模式包括交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或和直流交流转换。

本发明实施例利用所述交直流端口设备实现不同的电信号转换模式。

本发明实施例所述能源设备可以是发电设备或互联网中运行的各类有源设备；也可以是无源负荷，无源负荷也可进行交直流转换，此时通过电能转换向设备供能。

在一个可选的实施例中，所述根据所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率，对经过所述能源设备的电信号进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

通过所述通信链路获取所述能源设备的设备型号、电能格式和电信号频率；

根据所述设备型号和电能格式，选择对应的驱动程序；在所述交直流端口设备内运行。

根据所述电能格式和所述电信号频率，利用所述驱动程序控制所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，以实现对经过所述能源设备的电信号的转换。

本发明实施例中，由于个能源设备的设备型号、电能格式、电信号频率等各不相同，为了实现统一的电信号转换接口，首先获取待转换信号的能源设备的设备型号、电能格式、电信号频率信息，再根据设备型号、电能格式、电信号频率信息选择适合的电信号转换模式。各种不同的电信号转换模式通过驱动程序来控制，在实际进行转换时，驱动程序直接在所述交直流端口设备内运行。

基于所述交直流端口设备提供的四种电信号转换模式，本发明实施例所述方法通过驱动程序控制而按照能源设备的需要实现不同的电信号模式转换。

进一步的，本发明实施例所述交直流转换方法可以通过主控制平台实现，进而实现对网络中所有设备的能量管理。主控制平台根据网络中不同的设备的交直流转换要求，为不同的设备选择合适的电信号转换模式，然后通过与各能源设备对应的交直流端口设备上的驱动程序控制序进行控制，实现电信号的交直流的转换。进一步，设备运营过程中，通过主控制平台可以控制能源设备的有功、无功、电压、电流等相关参数，实现对电机的启停和变速，以及相关的故障管理功能。

与所述交直流端口设备的功能相对应的，在一个可选的实施例中，所述利用所述驱动程序控制所述交直流端口设备进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

闭合所述直流输入端口和所述交流输出端口对应开关，以实现直流到交流的转换；或者

闭合所述交流输入端口与所述直流/单相交流输出端口对应开关，以分别实现交流到直流的转换或交流到交流的转换；或者

闭合所述直流输入端口和所述直直变换输出端口对应开关，以实现直流到直流的转换。

与所述交直流端口设备的功能相对应的，在一个可选的实施例中，所述进行交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换或直流交流转换，进一步包括：

先将输入的交流信号通过pwm调制形成目标频率对应的直流信号，然后通过低通滤波器恢复成所述目标频率的交流信号，并进行输出；或者

将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以实现直流信号幅度与占空比的变化，从而获得目标幅度与占空比的直流信号，并进行输出；或者

基于输入的交流信号，对电路开关器件的通断进行控制，获得一系列幅值相等的脉冲；基于pwm调制技术，按预定规则对各脉冲的宽度进行调制，从而获得目标幅度和占空比的直流信号，并进行输出；或者

先将输入的直流信号通过pwm电路进行斩波，以改变直流信号的电压、占空比和等价交流信号频率；然后基于面积等效原理，将斩波后的信号通过目标频率的低通滤波器，从而获得目标频率的交流信号，并进行输出。

综上所述，本发明实施例提出了一种基于脉冲宽度调制的交直流通用端口设备并提供一种交直流转换的方法。主要包含两部分功能：一部分是根据驱动程序和相关策略对互联网中的能源设备进行控制，另一部分是基于pwm调制解调技术，实现高效自适应的交直流转换功能。交直流通用端口设备采用统一化、模块化、数字化的端口设计能够极大的降低硬件设计的复杂度，减轻硬件生产成本，因而被诸多设计所采用。

在具体运行过程中，通过对能源设备属性的识别，可以获得该设备的主要特性，包括型号、交直流形式和对应的操作频率等。基于此类特性和相关控制策略，可以通过选择合适的驱动程序，以及交直流通用端口模块中的对应能源转换模块，实现所需的交直流转换功能。

在基于能源互联网的一个具体实施例中，能源设备接入交直流通用端口设备的整体连接过程如下：

步骤1、硬件接口接入。各类型的能源(发电)设备通过统一硬件接口(交直流通用端口设备对应端口)接入交直流通用端口设备，并建立通信链路和能源连接链路。

步骤2、种类和型号确定。主程序控制平台通过通信链路获取能源设备对应的种类(主要指电能格式，包括直流/交流电能形式，额定电压、电流幅度等)、电信号频率和设备型号。

步骤3、根据设备型号选择合适的驱动程序。该驱动程序对交直流通用端口设备的运行进行操作和控制。驱动程序将在交直流通用端口设备中运行。

步骤4、基于种类和频率信息选择合适的电信号变换模式(对应不同的转换模块以实现交直流转换相关功能)。主程序控制平台根据交直流转换要求，为对应设备选择合适的功能模块。该功能模块包含在交直流通用端口中。

步骤5、设备运行，结合驱动程序和交直流转换功能，主程序控制平台实现对应端口能源设备的管理和运营。

本发明实施例基于igbt模块，以pwm技术和igbt器件为核心,在一个硬件设备上集成了多个电信号转换模块，以通过一个硬件设备实现交流交流转换、直流直流转换、交流直流转换和直流交流转换功能，可以以统一通用的硬件接口接入各种能源互联网设备，通过数字化控制实现所需电能的交直流形式转换，大大提高了能量转换效率，降低了能量转换损耗，具有良好的有益效果。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。