用于能量储存系统的电力转换器拓扑的制作方法

本主题大体上涉及电力转换器，更具体地说，涉及能量储存系统中的电力转换器的拓扑。

背景技术：

能量储存系统通常包括电力转换器，该电力转换器被配置成将直流(dc)电力转换成适当的电力，以应用于诸如发电机、电动机、电网之类的负载或其他合适的负载。例如，能量储存系统可以包括电力转换器，以用于产生适于应用到电网的在电网频率(例如60/50hz)的交流(ac)电力。在太阳能或电池能量系统中，太阳能或电池电源可以向电力转换器提供直流电力，然后，电力转换器可以将直流电力转换成用于电网的合适的ac输出电力。

为了提供增大的输出电力容量，电力转换器可以包括彼此并联耦合的多个桥接电路。每个桥接电路可包括多个开关元件。例如，传统的电力转换器通常使用绝缘栅双极晶体管(igbt)和/或金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)作为开关元件。可以根据期望的开关模式来控制开关元件的脉宽调制(pwm)，以提供电力转换器的期望输出。

技术实现要素：

本公开的实施方案的各方面和优点将部分地在以下描述中阐述，或者可从所述描述中了解，或者可通过实践实施方案来了解。

本公开的一个示例实施方案涉及电力转换器系统。电力转换器系统包括电力转换器，该电力转换器可耦合到输入电源并被配置成生成基本上在电网频率的输出电力。电力转换器包括与电力转换器的输出相位相关联的一个或多个逆变器桥接电路。每个逆变器桥接电路包括一个或多个第一开关模块。每个第一开关模块包括彼此串联耦合的一对开关元件和耦合在该对开关元件之间的输出。每个第一开关模块的至少一个开关元件包括反向阻断晶体管。电力转换器还包括一个或多个输入桥接电路。每个输入桥接电路包括并联耦合的多个第二开关模块。每个第二开关模块包括一对碳化硅晶体管。

本公开的另一示例方面涉及能量储存系统。能量储存系统包括输入电源。能量储存系统还包括电力转换器，该电力转换器可耦合到输入电源并被配置成生成基本上在电网频率的输出电力。电力转换器包括一个或多个逆变器桥接电路。每个逆变器桥接电路与电力转换器的输出相位相关联。每个逆变器桥接电路包括一个或多个逆变器开关模块。每个逆变器开关模块包括彼此串联耦合的一对开关元件和耦合在该对开关元件之间的输出。每个逆变器开关模块的至少一个开关元件包括反向阻断晶体管。电力转换器还包括一个或多个输入桥接电路。每个输入桥接电路包括并联耦合的多个输入开关模块。每个输入开关模块包括一对碳化硅晶体管。

本公开的又一示例方面涉及一种向电网提供至少单相输出电力的方法。该方法包括接收至电力转换器系统的第一级的输入电力。电力转换器系统的第一级包括一个或多个输入开关模块。所述一个或多个输入开关模块包括一个或多个碳化硅晶体管。该方法还包括向电力转换器的dc链路提供直流电力。该方法还包括在电力转换器系统的第二级接收直流电力。电力转换器系统的第二级包括一个或多个逆变器开关模块。所述一个或多个逆变器开关模块包括至少一个反向阻断晶体管。该方法还包括向电网提供至少单相输出电力。

可对本公开的这些示例性方面进行改变和修改。

参考以下描述和所附权利要求书将更好地理解各种实施方案的这些以及其他特征、方面和优点。并入在本说明书中且构成本说明书的一部分的附图说明了本公开的实施方案，且与所述描述一起用于解释相关原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了针对本领域的普通技术人员的实施方案的详细论述，在附图中：

图1描绘了根据本公开的示例实施方案的示例电力转换器系统；

图2描绘了根据本公开的示例实施方案的示例电力转换器系统；以及

图3描绘了根据本公开的示例实施方案的向电网提供至少单相输出电力的示例方法的流程图。

具体实施方式

现将详细参考本发明的实施方案，在图中说明本发明的实施方案的一个或多个示例。每个示例是为了解释本发明而提供，而非限制本发明。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中进行各种修改和变化。举例来说，说明或描述为一个实施方案的一部分的特征可与另一实施方案一起使用以产生再一实施方案。因此，意欲于所附权利要求书及其等同物的范围内包含本发明涵盖的此类修改和变化。

本公开的示例方面涉及用于能量储存系统的电力转换器系统。例如，电力转换器系统可以包括可耦合到输入电源，例如一个或多个电池设备，的电力转换器。电力转换器可以被配置成生成基本上在电网频率的输出电力。具体地讲，电力转换器可以包括可耦合到输入电源的输入桥接电路。输入桥接电路可以包括并联耦合的多个输入开关模块。每个输入开关模块可以包括一对开关元件，例如碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(sicmosfet)。输入桥接电路可以生成输出直流(dc)电力到耦合在输入桥接电路与逆变器桥接电路之间的dc链路。

逆变器桥接电路可包括一个或多个逆变器开关模块。逆变器开关模块可包括串联耦合的一对开关元件。例如，逆变器开关模块可包括串联耦合的上开关元件和下开关元件。根据本公开的示例方面，上开关元件可以包括至少一个反向阻断绝缘栅双极晶体管(igbt)。例如，上开关元件可包括以反并联方式耦合的一对反向阻断igbt。以这种方式，这种开关元件可以是双向开关元件，其被配置成传导流入或流出电网的电流。开关模块可以包括耦合在这对开关元件之间的输出。输出可以与单相输出电力相关联。在一些实现方式中，电力转换器可以提供多相输出电力，并且可以具有与多相输出电力的每个输出相位相关联的逆变器桥接电路。

在一些实现方式中，电力转换器还可包括耦合到输入桥接电路的隔离变压器。例如，隔离变压器可以是高频平面变压器或其他合适的变压器。隔离变压器可以在输入电源与逆变器桥接电路和/或输出之间提供电压隔离。在一些实现方式中，隔离变压器可以是升压或降压变压器。

本公开的示例电力转换器系统可以提供比传统电力转换器系统更有效的操作。例如，在输入桥接电路中使用sicmosfet可以提供更低的传导和/或开关损耗、更高的峰值重复脉冲与稳态电流比、和/或更高的开关频率操作。此外，使用隔离变压器(例如平面变压器)可以提供更高频率的开关能力、减小的体积和更低的成本。隔离变压器还可以为电池设计提供接地参考，而不会影响ac市电连接的接地参考。此外，在逆变器桥接电路中使用反向阻断igbt可以允许所述系统与ac市电快速且以电子方式断开，从而消除对配置成将系统与ac市电断开的各种接触器和熔断器的需要。反向阻断igbt可以在ac市电发生故障的情况下进一步最小化或减小“允许通过”的能量，并且可以最小化或减小与电弧闪光事件相关联的入射能量，而电弧闪光事件与系统的各种感测电路相关联。例如，反并联耦合的反向阻断igbt对可以用作双向开关元件，其被配置成引导正电流和负电流。在替代性实现方式中，一对传统的igbt可以反向串联连接，每个igbt具有相关联的续流二极管。

现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例方面。例如，图1描绘了根据本公开的示例实施方案的与能量储存系统相关联的示例电力转换器系统100的概况。电力转换器系统100可用于将输入电源102生成的电力转换成适合于供应给ac电网的基本上在电网频率(例如，在50/60hz的约10％内)的ac电力。如本文所用，术语“约”当与数字参考结合使用时意指在该数字参考的40％以内。输入电源102可以与能量储存系统相关联，并且可以包括一个或多个电池设备。在一些实现方式中，输入电源102可额定为提供约100伏至约2000伏的dc电压。虽然将参考被配置成转换由电池设备生成的能量的电力转换器来讨论本公开，但是，本领域的普通技术人员通过使用本文提供的公开内容应当理解，电力转换器可以类似地用于转换从诸如光伏阵列或风力涡轮机之类的其他能源供应的电力。

电力转换器系统100包括电力转换器105和被配置成控制电力转换器105的操作的控制系统150。电力转换器105用于将由一个或多个电池设备102生成的dc电力转换成适合于输送到ac电网的ac电力。图1所描绘的电力转换器105是包括dc-dc转换器110和逆变器130的两级电力转换器。

dc-dc转换器110可以是升压转换器，其被配置成升高由电池设备供应的dc电压，并将dc电压提供给dc链路120。dc链路120将dc-dc转换器110耦合到逆变器130。如图所示，dc-dc转换器110可包括一个或多个桥接电路112、114、116和118，其包括用于生成提供给dc链路120的dc电力的多个开关模块。在一些实现方式中，所述多个输入桥接电路112、114、116和118中的每一个可与到dc-dc转换器110的输入馈电线相关联。如下面将参考图2所讨论的，输入桥接电路112、114、116和118中的每一个可以包括并联耦合以提供增大的电力输出的多个输入开关模块，例如sicmosfet模块。dc-dc转换器110还可包括或具有相关联的隔离变压器，其被配置成在ac电网与输入电源102之间提供电压隔离。dc-dc转换器110可以是逆变器130的一部分或与其一体，或者可以是单独的独立结构。另外，一个以上的dc-dc转换器110可以通过一个或多个dc链路耦合到同一逆变器130。

逆变器130将提供给dc链路120的dc电力转换成适合于输送到ac电网的在电网频率的ac电力。逆变器130可以被配置成向ac电网提供多相输出，例如三相输出。逆变器130可包括多个逆变器桥接电路132、134和136。多个逆变器桥接电路132、134和136中的每一个可以与电力转换器105的输出相位相关联。如下面将参考图2所讨论的，多个逆变器桥接电路中的每一个可以包括并联耦合以提供增大的电力输出的多个逆变器开关模块，例如igbt模块。如上所述，此类igbt模块可以包括至少一个反向阻断igbt。在一些实现方式中，此类igbt模块可以包括双向开关元件，该双向开关元件包括反并联耦合的一对反向阻断igbt。

控制系统150可包括一个或多个控制器或其他控制设备，其被配置成控制电力转换器系统100的各种部件，包括dc-dc转换器110和逆变器130。例如，如下面将更详细地讨论的，控制系统150可以向dc-dc转换器110发送命令，以根据调节dc-dc转换器110中使用的开关元件(例如sicmosfet)的占空比的控制方法来调节dc-dc转换器110的输出。控制系统150还可以通过改变提供给逆变器130的调制命令来调节逆变器130的输出。调制命令控制由开关设备(例如，igbt和/或反向阻断igbt)提供的脉宽调制，以由逆变器130提供期望的实际和/或无功输出。

控制系统150还可用于控制电力转换器系统100的各种其他部件，例如断路器、断开开关和其他设备，以控制电力转换器系统100的操作。控制系统150可包括任何数量的控制设备，例如处理器、微控制器、微计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路或其他合适的控制设备。

图2描绘了根据本公开的示例实施方案的与能量储存系统相关联的示例电力转换器系统200。电力转换器系统200可以对应于电力转换器系统100或其他电力转换器系统。电力转换器系统200包括dc-dc转换器210和逆变器230。如所示，逆变器230包括多个逆变器桥接电路232、234和236，所述逆变器桥接电路232、234和236包括用于将来自dc链路220的dc电力转换成供应到ac电网的在电网频率的输出ac电力的电力电子设备。每个逆变器桥接电路232、234和236与逆变器230的输出相位相关联。例如，逆变器桥接电路232与逆变器230的输出线240相关联。逆变器桥接电路234与逆变器230的输出线242相关联。逆变器桥接电路236与逆变器230的输出线244相关联。以这种方式，桥接电路232、234和236可以经由电感器246在相应的输出线上向ac电网提供输出。

每个逆变器桥接电路232、234和236包括开关模块。将会理解，在一些实现方式中，逆变器桥接电路可以包括并联耦合的多个开关模块。每个开关模块包括彼此串联耦合的一对开关元件(例如，igbt或反向阻断igbt)。开关模块的输出在该对开关元件之间的某一位置处耦合到开关模块。当从输入电源202输出电力时，逆变器230可以用作降压逆变器(buckinverter)，而当向输入电源202输入电力时，其可以用作升压逆变器(boostinverter)。

具体地讲，逆变器桥接电路232、234和236以及相应的开关模块包括上开关元件233和下开关元件235。上开关元件233各自包括反并联耦合的一对反向阻断igbt237。下开关元件235可以是igbt。二极管以反并联的方式与每个单独的下开关元件235耦合。将会理解，在一些实现方式中，下开关元件235还可以包括一个或多个反向阻断igbt，例如，诸如反并联耦合的一对反向阻断igbt。

如上所述，反并联反向阻断igbt可以被配置成以双向方式传导电流。例如，通过反向阻断igbt，可以有效地传导由于对流向电感器246的电流中断的阻力而引起的电流极性的逆转。以这种方式，反并联反向阻断igbt可以被配置成在系统200的操作期间始终导通。

如上所述，dc-dc转换器210用于将输入电源202提供的dc电力转换成提供给dc链路220的dc电力。dc-dc转换器210可以是降压转换器、升压转换器或降压-升压转换器。如所示，dc-dc转换器210包括多个输入桥接电路212、214、216和218，所述输入桥接电路212、214、216和218包括用于将来自输入电源的电力转换成提供给dc链路220的dc电力的电力电子设备。

每个输入桥接电路212、214、216和218包括开关模块。每个开关模块包括彼此串联耦合的一对开关元件。具体地讲，每个开关元件可以是sicmosfet开关元件。二极管可以与每个单独的开关元件并联耦合。

电力转换器系统200还包括隔离变压器248。隔离变压器248可以是高频平面变压器或其他合适的变压器。隔离变压器可以在输入电源202与ac电网之间提供电压隔离。在各种实现方式中，隔离变压器可以是升压变压器或降压变压器。电力转换器系统200还可包括耦合到输入电源202的接触器250。接触器250可以被配置成选择性地将输入电源耦合到系统200。例如，可以控制接触器250的操作以将输入电源202耦合到系统或与系统分离。在一些实现方式中，接触器250可以提供具有挂牌上锁(lockout/tagout)能力的断开。

图3描绘了使用根据本公开的示例实施方案的电力转换器向电网提供至少单相输出电力的示例方法(300)的流程图。出于说明和论述的目的，图3描绘以特定次序执行的步骤。所属领域的技术人员使用本文中所提供的公开内容将理解，本文中所讨论的方法中的任一个的各种步骤可以各种方式调适、重新布置、扩展、省略或修改，而不会偏离本公开的范围。

在(302)，方法(300)可以包括在电力转换器系统的第一级接收输入电力。例如，输入电力可以是dc电力。电力转换器系统的第一级可以包括dc-dc转换器，其被配置成提升输入电力，并将提升的电力提供给电力转换器系统的dc链路。电力转换器系统的第一级可包括并联耦合的多个输入桥接电路。每个桥接电路可以包括一个或多个开关模块，其具有串联耦合的一个或多个开关元件。开关元件可以是sicmosfet设备。

在(304)，方法(300)可以包括向与电力转换器系统相关联的dc链路提供dc电力。例如，dc电力可以是与电力转换器系统的第一级相关联的升压电力。

在(306)，方法(300)可以包括在电力转换器系统的第二级接收dc电力。电力转换器系统的第二级可以是dc-ac逆变器，其被配置成向电网或其他负载提供至少单相输出电力。电力转换器系统的第二级可包括并联耦合的多个逆变器桥接电路。逆变器桥接电路可包括一个或多个开关模块，开关模块具有上开关元件和下开关元件。在一些实现方式中，上开关元件可包括一个或多个反向阻断晶体管(例如，反向阻断igbt)。例如，上开关元件可包括反并联耦合的一对反向阻断晶体管。

在(308)，方法(300)可以包括向电网或其他负载提供至少单相ac输出电力。

虽然各种实施方案的具体特征可能在一些图中示出而未在其他图中示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，可结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护某一附图的任何特征。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及执行任何所并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书界定，且可以包括所属领域的技术人员所想到的其他示例。如果此类其他示例包括并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们意欲于涵盖在权利要求书的范围内。