专利名称：多端口变流器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种变流器。
背景技术：
近年来，有很多研究致力于开发清洁、安全、可持续、经济的电能。可再生能源不容易被接入供电系统，必须由电力电子变流设备连接，由于这个原因，电力电子设备越来越多的被用于高压大功率的系统中。许多电力系统方面的研究都围绕在能够提供更加灵活、智能的功率控制的电力电子设备。多端口变流器不同于普通的单端口输入、单端口输出的变流器，由于具有特殊的结构，可以单端口输入、多端口输出，或者多端口输入、单端口输出，甚至多端口输入、多端口输出，因而能够更加灵活的控制功率的流动，作为电网中的节点可 以充分发挥其优势。多端口变流器的拓扑有几种，其中比较新的是英国的UNIFLEX项目提出的多端口变流器拓扑，是基于隔离型全桥DC/DC变换器的高度模块化变流器。众所周知，可再生能源不太容易接入电网，必须通过电力电子变流器，多端口变流器不仅可连接不同的负载、电源，还可以用于连接可再生能源和燃料电池等储能系统，是一种清洁、高效、可持续的电能转换系统。
发明内容
本发明的目的是克服现有多端口变流器电压难以平衡的缺点，提出两种由电路箝位进行电压平衡控制的多端口变流器新拓扑。本发明不仅可以实现电能的双向流动，同时保持两侧的电气隔离，而且可以带不同的负载并保持电压平衡，能够连接分布式电力能源，满足未来智能电网的不同电力能量转换的需求。本发明多端口变流器由三个基本模块和平衡电路组成。本发明多端口变流器共有三个端口，三个端口分别位于三个基本模块中。三个端口中，第一端口的功率等于第二端口和第三端口的功率之和。第一基本模块由模块化多电平变流器构成；第二基本模块和第三基本模块结构相同，均由隔离链接级串并联构成。第一平衡电路由副边多绕组的单相隔离变压器及附属H桥构成，第二平衡电路由隔离链接级构成。本发明多端口变流器具有以下技术特点I.能够实现能量的双向流动、电气隔离等基本功能；2.可以连接三个处于不同相位甚至不同频率的系统；3.第一端口功率等于第二端口和第三端口功率之和；4.由于平衡电路的存在，第二端口和第三端口可以带不同负载并且保持电压平衡；5.如果把三个基本模块替换成其他拓扑的变流器，保留平衡电路，仍然能够构成可行的多端口变流器；6.本发明可以连接分布式电力能源，作为电网中的多端口节点，满足不同电力能量转换的需求。
图I本发明实施例I的原理图；图2本发明实施例2的原理图；图3本发明中第一基本模块中的模块化多电平变流器子模块结构原理图；图4本发明中隔离链接级的隔离型全桥DC/DC变换器结构原理图；图5本发明中平衡电路4的结构原理图；图6本发明实施例I的仿真波形；
图7本发明实施例2的仿真波形； 图8本发明实施例I的仿真波形；图9本发明实施例2的仿真波形；图中1第一基本模块，2第二基本模块，3第三基本模块，4第一平衡电路，5第二平衡电路，6-1、6-2，……6-n，6-n+l、6-n+2，……6_2n基于隔离型全桥DC/DC变换器的隔离链接级，7-1、7-2，……7-m基于半桥结构的模块化多电平变流器子模块，LI，L2，……L6第一基本模块I中的模块化多电平变流器桥臂电感，Csm第一基本模块I中模块化多电平变流器的子模块电容，Cl，C2，……C2n直流母线电容，Cp2第二端口直流母线电容；Cp3第三端口直流母线电容。
具体实施例方式以下结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步说明。图I为本发明实施例I包含平衡电路4的多端口变流器。如图I所示，本发明实施例I由第一基本模块I、第二基本模块2、第三基本模块3以及第一平衡电路4组成。所述的第一基本模块I由模块化多电平变流器构成，模块化多电平变流器有三相，每相分上下两桥臂，共六个桥臂。每个桥臂由m个子模块7-1、7-2，……7-m，m彡4，以及一个桥臂电感串联组成。六个桥臂电感L1，L2，……L6分别串联在六个桥臂中。子模块结构如图3所示，每个子模块由两个带反并联二极管的IGBTjP S1、S2串联组成半桥结构，SI、S2串联后的两端之间并联一个子模块电容Csm，S2的两端引出作为子模块对外连接的正、负端口。多个子模块串联时，一个子模块的正端口连接另一子模块的负端口。第一基本模块I中的所有子模块结构完全相同。模块化多电平变流器交流侧的三相作为本发明多端口变流器的第一端口，模块化多电平变流器的直流侧作为本发明多端口变流器的直流母线。所述的第二基本模块2和第三基本模块3结构完全相同，均由η级隔离链接级串并联构成。隔离链接级的结构是隔离型全桥DC/DC变换器。第二基本模块2由η个隔离型全桥DC/DC变换器6-1、6-2，……6-η串并联组成，第三基本模块3η个隔离型全桥DC/DC变换器6-n+l、6-n+2，……6_2n串并联组成，η彡4。如图4所示，每个所述的隔离型全桥DC/DC变换器由两个IGBT组成的H桥和一个高频单相隔离变压器组成，所述的变压器变比为1:1，变比也可根据设计需要变化。所述的变压器的原边和副边分别连接两个H桥的交流侧，两个H桥的直流侧作为对外连接的端口，一个H桥的直流侧为输入侧，此直流侧的两个端子分别为正、负端，另一个H桥的直流侧为输出侧，此直流侧的两个端子分别为正、负端。η级隔离链接级的输入侧串联，n ^ 4,即每级隔离链接级的输入侧正端子与另一级隔离链接级输入侧的负端子相连，每级隔离链接级的输出侧与另一级隔离链接级的输出侧并联，即每级隔离链接级的输出侧的正端子接在一起，每级隔离链接级的负端子接在一起，构成第二基本模块。隔离链接级的串联侧为第二基本模块的高压侧，隔离链接级的并联侧为第二基本模块的低压侧。第三基本模块和第二基本模块结构完全相同。第二和第三基本模块的高压侧的每一级隔离链接级的输入侧正负端子间并联一个大小相同的电容Cl，C2，……C2n，然后第二、第三基本模块的高压侧串联构成多端口变流器的直流母线，与模块化多电平变流器的直流侧并联，如图I所示。第二基本模块的低压侧正负端子间并联一个电容Cp2构成本发明多端口变流器的第二端口，第三基本模块的低压侧正负端子间并联一个电容Cp3构成本发明多端口变流器的第三端口。第二、第三端口均为直流端口，其正负端子之间接三相逆变器可形成交流端 □。如图5所示，第一平衡电路4由副边多绕组的单相隔离变压器及附属H桥构成。所述的单相隔离变压器具有单输入绕组，2n组输出绕组，变比是1:1，I, I,……，I。单相隔离变压器的原边连接第一附属H桥的交流侧，第一附属H桥的直流侧并联在第三基本模块3的低压侧，也可以并联在第二基本模块2的低压侧。单相隔离变压器副边的每一组绕组连接一个附属H桥的交流侧，共2n个绕组和2n个H桥，所述的2n个附属H桥的直流侧分别并联在本发明多端口变流器的直流母线的2n个电容上。在第二端口、第三端口的负载不同时，通过第一平衡电路4中的副边多绕组单相隔离变压器对直流母线电容Cl，C2，……C2n的电压分别进行箝位，从而使得第二端口、第三端口带不同负载时，保持电压平衡，使本发明多端口变流器稳定。图2为本发明实施例2包含平衡电路5的多端口变流器。如图2所示，本发明实施例2由三个基本模块1、2、3和第二平衡电路5组成。三个基本模块1、2、3的结构与实施例I完全相同。第二平衡电路5由一个隔离链接级构成，隔离链接级的结构是隔离型全桥DC/DC变换器，如图4所示。第二平衡电路5的输入侧并联在第二基本模块2的高压侧，也就是多端口变流器直流母线的电容Cl，C2，……Cn上，第二平衡电路5的输出侧并联在第三基本模块3的高压侧，也就是多端口变流器直流母线的电容Cn+l，Cn+2，……C2n上。在第二端口、第三端口的负载不同时，通过第二平衡电路5中的隔离型全桥DC/DC变换器对第二基本模块和第三基本模块的高压侧电压进行平衡，从而使得第二端口、第三端口的电压平衡，本发明多端口变流器保持稳定。本发明多端口变流器的三个端口分别由三个基本模块弓丨出。第一端口从第一基本模块I的模块化多电平变流器的交流侧引出，第二端口从第二基本模块2的低压侧引出，第三端口从第三基本模块3的低压侧引出。三个端口均可以接电网或负载。第一端口的功率等于第二端口和第三端口功率之和。若多端口变流器不包含平衡电路，则在负载不平衡时，直流母线电容电压不能保持平衡，而且第二端口和第三端口的电压不能保持平衡。对于其他拓扑构成的第一、第二、第三基本模块，只要加上第一平衡电路或第二平衡电路，也可以构成多端口变流器。
图6为本发明实施例I工作在功率由第一端口流向第二、第三端口，且第二、第三端口带不同负载状态时的仿真波形。所述的实施例I的多端口变流器包含第一平衡电路4。如图6所示，第一基本模块I的模块化多电平变流器处于整流状态，功率由第一端口流向第二、第三端口，第二、第三端口的负载大小不同，模块化多电平变流器直流母线电压和第二、第三端口直流母线电压保持平衡，且保持恒定。在O. 3秒时切断第二端口的负载，可看出切断后第二端口 2、第三端口 3直流电压差加大，但仍能保持平衡。图7为本发明实施例2工作在功率由第一端口流向第二、第三端口，且第二、第三端口带不同负载状态时的仿真波形。所述的多端口变流器包含第二平衡电路5。如图7所示，第一基本模块I的模块化多电平变流器处于整流状态，功率由第一端口流向第二、第三端口，第二、第三端口的负载大小不同，模块化多电平变流器直流母线电压和第二、第三端口直流母线电压保持平衡，且保持恒定。在O. 3秒时切断第二端口的负载，可看出切断后第二段口 2、第三端口 3直流电压差加大，但仍能保持平衡。由图6、图7对比可看出第一平衡·电路4的第二、第三端口比第二平衡电路5的第二、第三端口电压差更小。图8为本发明实施例I工作在功率由第二、第三端口流向第一端口，且第二、第三端口带不同大小电源状态时的仿真波形。所属的多端口变流器包含第一平衡电路4。如图8所示，第一基本模块I的模块化多电平变流器处于逆变状态，功率由第二、第三端口流向第一端口，第二、第三端口的直流电压大小不一样，且保持恒定，模块化多电平变流器直流母线电压和第二、第三端口直流母线电压保持平衡，且保持恒定。图9为本发明实施例2工作在功率由第二、第三端口流向第一端口，且第二、第三端口带不同大小电源状态时仿真波形。所属的多端口变流器包含第二平衡电路5。如图9所示，第一基本模块I的模块化多电平变流器处于逆变状态，功率由第二、第三端口流向第一端口，第二、第三端口的直流电压大小不一样，且保持恒定，模块化多电平变流器直流母线电压和第二、第三端口直流母线电压保持平衡，且保持恒定。由图8、图9对比可看出第一平衡电路4的第二、第三端口比第二平衡电路5的第二、第三端口电压差更小。
权利要求
1.一种多端口变流器，其特征在于所述的多端口变流器由三个基本模块(1、2、3)和平衡电路构成；第一基本模块(I)由模块化多电平变流器构成；第二基本模块(2)和第三基本模块(3)由多个隔离链接级(6)串并联构成；第一平衡电路(4)由副边多绕组的单相隔离变压器及附属H桥构成，第二平衡电路(5)由隔离链接级构成；所述的多端口变流器共包含三个端口，所述的三个端口分别位于三个基本模块(1、2、3)中；所述的三个端口中，第一端口的功率等于第二端口和第三端口的功率值和。
2.如权利要求I所述的多端口变流器，其特征在于所述的基本模块(I)中，模块化多电平变流器有三相，每相分上下两桥臂，每个桥臂由m个子模块(7-1，7-2，……7-m)和一个桥臂电感串联组成，m ^ 4 ;每个子模块由第一第二两个带反并联二极管的IGBT (S1、S2)串联组成半桥结构，第一 IGBT (SI)和第二 IGBT (S2)串联后两端并联子模块电容(Csm);第二 IGBT (S2)的两端引出作为该子模块对外连接的正端口和负端口 ；多个子模块串联时，一个子模块的正端口连接另一个子模块的负端口。
3.如权利要求I所述的多端口变流器，其特征在于所述的第二基本模块(2)和第三基本模块(3)结构相同，均由η级隔离链接级串并联构成，n ^ 4 ;所述的隔离链接级为隔离型全桥DC/DC变换器；所述的隔离型全桥DC/DC变换器由两个IGBT组成的H桥和一个高频单相隔离变压器组成，所述的单相隔离变压器变比为1:1 ;所述的变压器的原边和副边分别连接两个H桥的交流侧，两个H桥的直流侧作为对外连接的端口，一侧H桥的直流侧成为输入侧，此直流侧的两个端子分别为正、负端，另一侧H桥的直流侧成为输出侧，此直流侧的两个端子分别为正、负端。
4.如权利要求3所述的多端口变流器，其特征在于所述的单相隔离变压器变比或者根据设计需要变化。
5.如权利要求2所述的多端口变流器，其特征在于所述的η级隔离链接级的输入侧串联，n ^ 4，即每级隔离链接级的输入侧正端子与另一级隔离链接级输入侧的负端子相连，每级隔离链接级的输出侧与另一级隔离链接级的输出侧并联，即每级隔离链接级的输出侧的正端子接在一起，每级隔离链接级的负端子接在一起，构成第二基本模块(2);隔离链接级的串联侧为第二基本模块(2)的高压侧，隔离链接级的并联侧为第二基本模块(2)的低压侧；第三基本模块(3)和第二基本模块(2)的串并联方式相同；第二基本模块(2)和第三基本模块(3)的高压侧的每一级隔离链接级的输入侧正负端子间并联一个大小相同的电容；第二基本模块(2)和第三基本模块(3)的高压侧串联构成多端口变流器的直流母线，与模块化多电平变流器的直流侧并联。
6.如权利要求I所述的多端口变流器，其特征在于所述的多端口变流器包含第一平衡电路(4)或第二平衡电路(5)。
7.如权利要求5所述的多端口变流器，其特征在于所述的第一平衡电路(4)由副边多绕组的单相隔离变压器及附属H桥构成；所述的单相隔离变压器具有单输入绕组、2η组输出绕组，所述的隔离变压器的变比为1:1，1，1，……，I ;所述的单相隔离变压器的原边连接第一附属H桥的交流侧，第一附属H桥的直流侧并联在第三基本模块(3)的低压侧，或是第二基本模块(2)的低压侧；单相隔离变压器副边的每一组绕组连接一个附属H桥的交流侧；2η个所述的附属H桥的直流侧分别并联在本发明多端口变流器的直流母线的2η个电容上。
8.如权利要求5所述的多端口变流器，其特征在于所述的第二平衡电路(5)由一个隔离链接级构成，隔离链接级为隔离型全桥DC/DC变换器；第二平衡电路(5)的输入侧并联在第二基本模块 (2)的高压侧，第二平衡电路(5)的输出侧并联在第三基本模块(3)的高压侧。
全文摘要
一种多端口变流器，由基本模块(1、2、3)和平衡电路组成。第一基本模块(1)由模块化多电平变流器构成，其交流侧作为第一端口，直流侧作为直流母线。第二基本模块(2)和第三基本模块(3)均由隔离链接级(6)串、并联组成。第二、第三基本模块的高压侧串联后与直流母线并联，且高压侧每一级并联一个大小相同的电容。第二基本模块的低压侧为第二端口，第三基本模块的低压侧为第三端口。第一平衡电路(4)由一个副边多绕组的单相隔离变压器及其附属H桥构成，连接在第三端口和直流母线之间。第二平衡电路(5)由隔离链接级(6)构成，连接在第二、第三基本模块(2、3)的高压侧之间。所述多端口变流器包含一个平衡电路。
文档编号H02M1/00GK102904420SQ20121037637
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者王平, 马骁骁 申请人:中国科学院电工研究所