用于能量系统的功率转换器的制作方法

本主题大体上涉及可再生能源，并且更特别地涉及用于能量系统的功率转换器拓扑结构。

背景技术：

能量系统(诸如，能量存储系统和/或太阳能发电系统)已越来越多地作为独立式能量存储系统的部分或作为可再生能量发电场(例如，风力发电场或太阳能发电场)的部分而用于将功率输送到公用电网。例如，能量存储系统可包括可经由适合的功率转换器来耦合到ac功率系统(例如，电网)的一个或多个电池组或其它能量存储装置。能量存储系统具有针对特定的电网服务而既输送能量又储备能量的能力。

典型的能量系统(例如，能量存储系统、太阳能发电系统等)包括具有中压初级绕组(例如，6kvac、12kvac等)和低压次级绕组(例如，575vac、690vac等)的双绕组式变压器，以使能量系统耦合到电网。如本文中所使用的那样，用语“低压”可指代小于或等于1.5kv的电压，并且，用语“中压”可指代大于1.5kv并且小于100kv的电压。例如，图1描绘了具有这样的双绕组式变压器252的示例性能量存储系统250。如显示的那样，变压器252的中压初级绕组254可耦合到中压ac功率系统。线路总线256可将ac功率提供给功率转换器262并且从功率转换器262提供ac功率，功率转换器262可直接地或经由一个或多个断路器、熔断器、开关等(例如，断路器260)来耦合到变压器252的低压次级绕组264。在系统250中，电池组258的输出功率和功率转换器262的输出功率可用于取决于功率流至或流自ac功率系统的方向而对电池组258进行充电或放电。可在相同或类似的电压下操作功率转换器262的输出功率和电池组258的输出功率。例如，可在低电压电平下操作功率转换器262的输出功率和电池组258的输出功率二者。

这样的变压器可用于使由功率转换器经由线路总线来提供的低压提高到适合于输出到ac功率系统的中压。然而，变压器可为昂贵的，并且可对能量系统的总体尺寸造成相当大的影响。

技术实现要素：

本公开的实施例的方面和优点将在以下描述中得到部分阐述，或可根据描述而认识到，或可通过实践实施例而认识到。

本公开的一个示例性实施例涉及一种能量系统。能量系统包括配置成提供低压直流功率的输入功率源。能量系统进一步包括功率转换器，功率转换器配置成使由输入功率源提供的低压直流功率转换成适合于提供给交流功率系统的中压多相交流输出功率。功率转换器包括多个转换模块。各转换模块包括多个桥式电路。各桥式电路包括串联耦合的多个碳化硅开关装置。

本公开的另一示例性方面涉及一种用于在能量系统中使用的功率转换器。能量系统包括配置成提供低压直流功率的输入功率源。功率转换器包括多个转换模块。各转换模块包括多个桥式电路。各桥式电路包括串联耦合的多个碳化硅开关装置。功率转换器配置成使由输入功率源提供的低压直流功率转换成适合于提供给交流功率系统的中压多相交流输出功率。各转换模块配置成在能量系统的线路总线上提供中压多相交流输出功率的单相。

本公开的又一示例性方面涉及一种包括多个转换模块的功率转换系统。各转换模块包括多个桥式电路和耦合到桥式电路中的至少两个的隔离变压器。各桥式电路包括串联耦合的多个开关装置。功率转换器配置成使由与能量存储系统相关联的一个或多个能量存储装置提供的低压直流功率转换成适合于提供给交流功率系统的中压多相交流输出功率。各转换模块配置成在与功率转换系统相关联的线路总线上提供中压多相交流输出功率的单相。

可对本公开的这些示例性方面作出变型和修改。

参考以下描述和所附权利要求书，多种实施例的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在本说明书中并构成其部分的附图示出了本公开的实施例，并与描述一起用于阐释相关的原理。

附图说明

在参考附图的说明书中阐述了实施例的针对本领域普通技术人员的详细讨论，在附图中：

图1描绘了示例性能量存储系统；

图2描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性太阳能发电系统；

图3描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性能量存储系统；

图4描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性功率转换器；

图5描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性转换器；以及

图6描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性功率转换器。

具体实施方式

现在将详细地参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。各示例作为本发明的阐释而非本发明的限制来提供。实际上，对本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下可在本发明中作出多种修改和变型。例如，示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一实施例一起用于产生另外的其它实施例。因此，意图的是，本发明涵盖如归入所附权利要求书及其等同体的范围内的这样的修改和变型。

本公开的示例性方面涉及用于在能量系统中使用的功率转换器。特别地，本公开的示例性方面涉及能够使低压(lv)直流(dc)电压转换成中压(mv)交流(ac)电压的功率转换器。能量系统可包括能量存储系统和/或能量生成系统(诸如，太阳能发电系统)。功率转换器可用于使输入功率源(例如，(一个或多个)能量存储装置、(一个或多个)pv阵列等)耦合到ac功率系统(诸如，例如电网)。功率转换器可包括多个桥式电路。桥式电路中的各个可包括彼此串联耦合的成对的开关装置。例如，在一些实施方式中，开关装置的至少子集可为碳化硅(sic)金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)。在一些实施方式中，开关装置的至少子集可为绝缘栅双极型晶体管(igbt)。可例如使用提供给开关装置的栅极定时(gatetiming)命令来控制桥式电路，以将期望的输出提供给ac功率系统(例如，电网)。

根据本公开的示例性方面，功率转换器可包括多个功率转换模块。各功率转换模块可与多相(例如，三相)ac功率的单相相关联。以此方式，功率转换模块的数量可对应于多相ac功率中的相的数量。各功率转换模块可包括一个或多个模块分支。模块分支可包括并联耦合的多个桥式电路。模块分支可进一步包括耦合到桥式电路的至少子集的隔离变压器。模块分支可在转换模块的lv侧上彼此并联耦合，并且在转换模块的mv侧上彼此串联耦合。

特别地，模块分支可配置成使lvdc输入功率转换成mvac输出功率或反过来。例如，sicmosfet可在足以允许在模块分支中的各个内实施小型隔离变压器的频率下开关。隔离变压器可取决于功率流过模块分支的方向而配置为升压或降压变压器。更特别地，面向模块分支的mv侧的变压器绕组可具有数量比面向模块分支的lv侧的变压器绕组更多的线匝。可至少部分地基于电网电压和/或由(一个或多个)能量存储装置和/或(一个或多个)pv阵列提供的电压来选择变压器的特定配置。

各模块分支促成mvac输出的至少部分。以此方式，可至少部分地基于期望的ac输出来确定各转换模块中的模块分支的数量。在一些实施方式中，转换模块可为可替换的单元，使得可通过如期望的那样添加或移除转换模块单元来以模块化的方式实施功率转换器。例如，转换模块可配置为能够通过一个或多个接口构件而选择性地耦合到功率转换器的独立的单元。以此方式，能量系统的技术人员或用户可通过经由接口构件来使模块耦合到系统而添加或移除模块。

在这样的能量系统内实施根据本公开的示例性方面的功率转换器可允许使功率转换器耦合到ac功率系统(例如，电网)，而不需要变压器(例如，50hz的变压器或60hz的变压器)来使由功率转换器提供的ac功率转换成适合于电网的mv功率。以此方式，50/60hz的变压器可由各模块分支中的较低频率的较小的变压器替换。这样的较小的模块分支变压器可允许总体减小能量系统的尺寸。另外，将sicmosfet用作功率转换器中的开关装置可经由例如相对于igbt开关装置而提高的开关频率和减少的开关损耗来提高功率转换器的效率。将认识到，任何适合的高频率的开关装置都可用于提供提高的开关频率。

现在参考附图，将更详细地讨论本公开的示例性方面。例如，图2描绘了示例性太阳能发电系统100。太阳能发电系统100包括功率转换器120，功率转换器120用于使由一个或多个pv阵列110生成的dc功率转换成适合于馈送到ac功率系统的多相(例如，三相)ac功率。特别地，功率转换器120可配置成使由(一个或多个)pv阵列110提供的lvdc功率转换成适合于馈送到ac功率系统的mvac功率。如将参考图3而更详细地讨论的那样，功率转换器120可包括多个转换模块。各转换模块可与由功率转换器120提供的多相ac功率的单相相关联。各转换模块可包括具有串联耦合的多个开关装置的多个桥式电路。在一些实施方式中，开关装置可包括sic开关装置和/或其它适合的开关装置(例如，igbt开关装置)。

太阳能发电系统100包括控制器130，控制器130配置成控制太阳能发电系统100的多种构件(包括功率转换器120)。例如，控制器130可将命令发送到功率转换器120，以依据调节在功率转换器120中使用的开关装置(例如，sicmosfet或其它功率电子装置)的占空比的控制方法来调节功率转换器120的输出。调制命令控制由开关装置提供的脉冲宽度调制，以通过功率转换器120来提供期望的有效(real)和/或无功输出。控制器130还可用于控制多种其它构件(诸如，电路断路器、断开开关以及其它装置)，以控制太阳能发电系统100的操作。控制器130可包括任何数量的适合的控制装置，诸如处理器、微控制器、微型计算机、可编程逻辑控制器、专用集成电路或其它控制装置。

(一个或多个)pv阵列110包括响应于入射在(一个或多个)pv阵列上的太阳能而产生dc功率的多个互连的太阳能电池。pv阵列110通过正输入线路102和负输入线路103而耦合到功率转换器120。正输入线路102可包括用于使(一个或多个)pv阵列110相对于功率转换器120而耦合和解耦的断开开关或电路断路器。控制器130可配置成控制开关的断开和闭合，以使(一个或多个)pv阵列110相对于功率转换器120而耦合和解耦。

如所指示的那样，功率转换器120具有可包括一个或多个功率电子装置(诸如，sicmosfet)的多个开关装置。功率转换器120的开关装置控制由(一个或多个)pv阵列110提供的dc功率的流。在特定的实施例中，控制器130通过将栅极定时命令发送到在功率转换器120中使用的sicmosfet开关装置来控制功率流。在某些实施例中，功率转换器120使用脉冲宽度调制(pwm)来合成处于ac电网频率下的mvac输出电压。功率转换器120的输出可由控制器130通过根据众所周知的pwm技术而将栅极定时命令提供给sicmosfet来控制。从功率转换器120输出的ac功率可具有处于pwm斩波频率和电网频率下的分量。功率转换器120的输出可经由太阳能发电系统100的线路总线122来提供给ac功率系统。

多种电路断路器和开关(诸如，电网断路器124)可被包括在系统100中，以用于在连接到ac功率系统和从ac功率系统断开的期间如必要的那样使多种构件隔离。以此方式，这样的构件可配置成例如当电流过大并且可对能量系统100的构件造成损伤时或出于其它操作考虑而使对应的总线连接或断开。额外的保护构件(诸如，一个或多个额外的断路器、一个或多个熔断器、一个或多个上锁挂牌(lockouttagout)装置等)也可被包括在能量系统100中。

控制器130可配置成监测太阳能发电系统100的多种方面。多种电流传感器和电压传感器可用于监测太阳能发电系统100的构件的电压和电流。例如，电流分流器和/或霍尔效应传感器可用于监测在太阳能发电系统100的各处的多种电流。控制器130可基于所测量的参数而控制能量系统120的多种其它方面(诸如，一个或多个开关、电路断路器和/或其它构件)。

如所指示的那样，根据本公开的示例性方面的功率转换器可在其它能量系统(诸如，适合的能量存储系统)中实施。例如，图3描绘了根据本公开的示例性方面的示例性能量存储系统500。能量存储系统500可为独立式发电系统或可实施为可再生能量系统(诸如，风力发电场或太阳能发电场)的部分。

能量存储系统500可包括电池能量存储系统(bess)510。bess510可包括一个或多个电池能量存储装置512，诸如电池单元(batterycell)或电池组。电池能量存储装置512可包含一个或多个钠-氯化镍电池、钠硫电池、锂离子电池、金属氢化物-镍电池、其它能量存储装置(例如，电容器、燃料电池等)或其它类似装置。

bess510可包括电池管理系统(bms)515。bms515可包括诸如通过以下方式来监测电池能量存储装置512中的一个或多个的一个或多个电子装置：保护电池能量存储装置免于超出安全操作模式的范围而操作、监测电池能量存储装置的状态、计算并报告针对电池能量存储装置的操作数据、控制电池能量存储装置的环境和/或任何其它适合的控制动作。例如，在若干实施例中，bms515配置成监测和/或控制一个或多个能量存储装置512的操作。bms515可为例如完全在硬件中实施的逻辑控制器、可固件编程的数字信号处理器或基于可编程处理器的由软件控制的计算机。

bess510可耦合到功率转换器520。功率转换器520可对应于图2中所描绘的功率转换器120。以此方式，功率转换器520可包括一个或多个电子开关装置(例如，sicmosfet、igbt等)，并且可配置成使lvdc功率转换成mvac功率以及反过来。功率转换器520可配置成在能量存储系统500的线路总线526上提供mvac功率。特别地，将关于图4而更详细地讨论功率转换器120和520。

能量存储系统500还可包括控制器522，控制器522配置成监测和/或控制能量存储系统500的多种方面。例如，控制器522可控制功率转换器520的开关装置(例如，使用脉冲宽度调制)，以对电池能量存储系统510进行充电或放电。另外，可控制电子开关元件以调节所接收的或提供给bess515的dc功率。根据多种实施例，控制器522可为单独的单元(如显示的那样)，或可为bess510的bms515的部分。

图4描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性功率转换器120。例如，功率转换器120可为dc-dc-ac转换器。在一些实施方式中，功率转换器120的dc-dc部分可为谐振转换器。如显示的那样，功率转换器120包括转换模块200、转换模块202以及转换模块204。转换模块200-204可配置成从(一个或多个)pv阵列110接收lvdc功率并且使lvdc功率转换成mvac功率以用于馈送到ac功率系统。各转换模块200-204与三相输出ac功率的单相相关联。特别地，转换模块200与三相输出功率的a相输出相关联，转换模块202与三相输出功率的b相输出相关联，并且，转换模块204与三相输出功率的c相输出相关联。

各转换模块200-204包括多个模块分支。例如，如显示的那样，转换模块200包括模块分支206、模块分支208以及模块分支210。各模块分支206-210包括多个转换实体。例如，模块分支206包括转换实体212、转换实体214以及转换实体216。各转换实体212-216可包括并联耦合的多个桥式电路。例如，转换实体216包括桥式电路218和桥式电路220。如所指示的那样，各桥式电路可包括串联耦合的多个开关装置。例如，桥式电路220包括上部开关装置222和下部开关装置224。开关装置可为sicmosfet开关装置。如显示的那样，各模块分支206-210进一步包括隔离变压器226。隔离变压器耦合到转换实体212和转换实体214。如显示的那样，转换分支进一步包括电容器228和230。

功率转换器120可为双向功率转换器。功率转换器120可配置成使lvdc功率转换成mvac功率以及反过来。例如，当将功率提供给ac功率系统时，功率转换器120可配置成在功率转换器120的lv侧上从dc链路136接收lvdc功率并且在功率转换器120的mv侧上输出mvac功率。模块分支206-210可在lv侧上并联耦合在一起，并且可在mv侧上串联耦合在一起。

在一个特定的示例性实施方式中，当将功率提供给ac功率系统时，转换实体212可配置成使dc链路136上的lvdc转换成lvac功率。隔离变压器226可配置成使lvac功率升压至mvac功率。转换实体214可配置成使mvac功率转换成mvdc功率。转换实体216可配置成使mvdc功率转换成适合于提供给电网184的mvac功率。

模块分支206-210可配置成促成由转换模块200提供的总体mvac功率。以此方式，任何适合的数量的模块分支都可被包括在模块分支206-210内。如所指示的那样，各转换模块200-204与输出功率的单相相关联。以此方式，可使用适合的栅极定时命令(例如，其由一个或多个适合的驱动电路提供)来控制转换模块200-204的开关装置，以生成将提供给电网的输出功率的适当的相。例如，控制器174可将适合的栅极定时命令提供给桥式电路的开关装置的栅极。栅极定时命令可控制igbt的脉冲宽度调制，以提供期望的输出。

图5描绘了根据本公开的示例性实施例的备选的转换器400。特别地，转换器400可配置成使lvdc转换成hvdc以及反过来。以此方式，转换器400可为dc-dc谐振转换器。在一些实施方式中，转换器400可对应于图4中所描绘的dc-dc-ac功率转换器120的dc-dc部分。如关于图4而描述的那样，转换器400可在转换模块内实施。例如，功率转换器400可对应于图4中所描绘的转换实体212和214以及模块分支208和210上的对应的转换实体。如显示的那样，功率转换器400包括多绕组式变压器402。变压器102包括转换器400的lv侧上的单个绕组和转换器400的mv电压侧上的多个绕组。变压器402的多绕组侧上的绕组的数量可对应于将被包括在对应的转换模块中的模块分支的数量。

如显示的那样，单个转换实体404可在转换器400的lv侧上实施。转换实体404可耦合到变压器400的lv侧上的单个绕组。转换实体404可配置成使lvdc功率转换成lvac功率。变压器402可配置成使lvac功率升压至mvac功率并且在变压器402的多绕组侧的各绕组上提供mvac功率。特别地，变压器402的多绕组侧上的各绕组可耦合到转换实体(例如，转换实体406-410)。转换实体406-410可配置成使mvac功率转换成mvdc功率，并且配置成将mvdc功率提供给相应的其它转换实体以用于使mvdc转换成适合于提供给电网的mvac。

图6描绘了根据本公开的示例性实施例的示例性功率转换器420。功率转换器420可在多种适合的能量系统(诸如，太阳能发电系统100、能量存储系统500和/或其它适合的能量系统)内实施。例如，功率转换器420可对应于图4中所描绘的功率转换器120。以此方式，功率转换器420可为dc-dc-ac功率转换器。

如显示的那样，功率转换器420的dc-dc部分422可对应于图5中所描绘的转换器400。以此方式，dc-dc部分422可包括多绕组式变压器424，其具有功率转换器420的lv侧上的单个绕组和功率转换器420的mv侧上的多个绕组(例如，三个绕组)。dc-dc部分422可配置成使lvdc功率转换成mvdc功率并且将mvdc功率提供给功率转换器420的dc-ac部分426。dc-ac部分426可使mvdc功率转换成适合于馈送到ac功率系统的mvac功率。

图5和图6中所描绘的转换器400和420的拓扑结构可促进所使用的变压器的数量相对于图4中所描绘的功率转换器120的拓扑结构而减少。此外，转换器400和420的拓扑结构可促进所使用的开关装置的数量相对于图4中所描绘的功率转换器120的拓扑结构而减少。

尽管多种实施例的具体特征可在一些附图中显示而不在其它附图中显示，但这仅是为了方便起见。根据本公开的原理，附图的任何特征都可与任何其它附图的任何特征组合来引用和/或要求保护。

本书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使本领域中的任何技术人员能够实践本发明(包括制造和使用任何装置或系统，以及执行任何结合的方法)。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构元件，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。