一种多功能智能双向换流器的制作方法

本发明涉及电子电路领域，尤其涉及一种多功能智能双向换流器。

背景技术：

双向换流器是储能系统中最核心的能量转换单元，传统的储能用双向换流器拓扑主要有工频隔离结构和高频隔离结构，如图1所示，主要都是由直流输入单元1、功率换流单元2、滤波单元3、隔离变压器4、输出电容5、电网接口单元6、负载接口单元7组成；其中直流输入单元1包括光伏电池板输入接口、也包括储能蓄电池输入接口及采样电路，功率换流单元2由四只开关晶体管组成，其主要功能是进行直流-交流双向换流功能，若为直流向交流换流，则能量从直流输入单元1向后级传输；若为交流向直流换流，则由后级向直流输入单元1传输；在三相系统中，功率换流单元2则由六只开关晶体管组成，开关晶体管不限于某一种晶体管，只要用作开关动作的高频开关元件都在此列；滤波单元3由两只电感和一只电容组成，其结构不限于这种LLC(π)型结构，也可以是LCL(T型结构)或者是简单的LC(一只电感)结构，主要用作输出滤波用途，其输出电压标记为V_L0-N0；隔离变压器4由一只工频隔离变压器，主要用作与电气隔离及调节电压使用，其输出电压标记为V_L-N，V_L0-N0与V_L-N的比值即为隔离变压器13的变比；输入电容5为隔离变压器4的输出端，也作为输出能量存储器件；电网接口单元6包含并网继电器，EMC滤波电路，采样电路等等，该单元控制欲电网的连接于断开，有软件控制欲电网进行能量交换；负载接口单元7主要是用来给负载供电，其能量来源包含直流输入单元1和电网接口单元6。该单元包含负载继电器、EMC滤波器件及采样电路；

图2-4所示为传统的储能双向换流器各单元电压波形，Vbat为直流输入单元电压，经过功率换流单元2和滤波单元3后电压为V_L0-N0，其电压为交流正弦波电压，其幅值决定于Vbat，再经过隔离变压器4之后，输出电容5上的电压为V_L-N，V_L0-N0与V_L-N的比值即为隔离变压器4的变比。

上述方案为传统的储能双向换流器方案，其可以做到电气隔离，能够应用于各类储能、UPS；可以实现交流到直流、直流到交流的转换。由于结构比较单一，该系统应用存在单一性，使用并不灵活，也存在一些使用上的漏洞：

1)电网多样性的国家，如日本电网，单相电压存在110V，220V这两种，使用的用电设备也存在这两种，再例如美国，单相电网存在120Vac，240Vac这两种，如果使用上述传统储能换流器设备，如图1所示，其电网接口单元6及负载接口单元7，其输出电压要么为110Vac，要么输出220Vac，就不能同时满足客户的需求，即既可以有效接入电网，也能同时满足客户110V(或者120V)，220V(或者240)电压负载的需求；

2)一般户用的储能系统，如图1采用传统的储能双向换流器，其直流输入单元1多为蓄电池，其用在户用系统中，其电压一般较低，多为50Vdc以下的系统，而工频隔离方案结构一般为一级换流加一级隔离升压居多，如果采用传统方案，低于50Vdc的系统输出220Vac电压，方案所述隔离变压器4的升压比会很大，其实现的工艺难度很大，而且成本高，体积大，电磁干扰也大，相对效率也低。以48V的直流输入为例，经过功率换流单元2之后，在经过滤波单元3之后的电压一般为(48V/1.414)*0.9＝30Vac,要将30Vac的电压升压为220Vac的电压并入电网或者带负载，考虑到直流输入单元1的电压范围，所以，需要8倍以上的升压比的隔离变压器4，同时，由于隔离变压器4前端的电流太大，其设计难度，制造工艺，EMC干扰以及滤波单元3的设计都会增加难度；

3)传统储能双向换流器在低压系统中很难做到更大功率，一般做到更大功率需要并机来实现，并机需要增加很多外围线路，可靠性降低了，同时会给用户使用来来很多麻烦。

综上所述，传统工频双向换流器应用在储能系统中存在很多局限，要实现这些功能，需要做出改进优化。

技术实现要素：

本发明所要解决的问题是提供一款能够同时满足110Vac和220Vac电网及负载需求的多功能智能双向换流器，同时解决工频双向换流器在低压储能系统中升压比过大，功率提升较为困难的问题。

实现本发明目的的技术方案是：一种多功能智能双向换流器，多功能智能双向换流器包括直流输入单元、第一功率转换单元、第二功率转换单元、第一滤波单元、第二滤波单元、隔离储能单元、负载输出端口和电网接口单元，第一功率转换单元和第二功率转换单元均与直流输入单元相连接，第一滤波单元与第一功率转换单元相连接，第二滤波单元与第二功率转换单元相连接，隔离储能单元用于进行电气隔离、调节电压和储存输出能量，第一滤波单元和第二滤波单元均与隔离储能单元相连接，负载输出端口和电网接口单元均与隔离储能单元相连接。

作为本发明的优化方案，隔离储能单元包括第一隔离变压器、第一输出电容、第二隔离变压器和第二输出电容，第一隔离变压器与第一滤波单元相连接，第一输出电容与第一隔离变压器的副边的两个输出端连接，第二隔离变压器与第二滤波单元相连接，第二输出电容与第二隔离变压器的副边的两个输出端连接，第一输出电容和第二输出电容均与负载输出端口相连接，第一输出电容和第二输出电容均与电网接口单元相连接。

作为本发明的优化方案，隔离储能单元包括第三隔离变压器和第三输出电容，第三隔离变压器的一个原边输入端与第一滤波单元相连接，第三隔离变压器的另一个原边输入端与第二滤波单元相连接，第三输出电容与第三隔离变压器的副边的两个输出端连接，第三输出电容与负载输出端口相连接，第三输出电容与电网接口单元相连接。

作为本发明的优化方案，多功能智能双向换流器还包括第三功率转换单元、第三滤波单元、隔离储能单元包括第四隔离变压器、第四输出电容、第五隔离变压器、第五输出电容、第六隔离变压器和第六输出电容，第三功率转换单元与直流输入单元相连接，第三滤波单元与第三功率转换单元相连接，第四隔离变压器与第一滤波单元相连接，第四输出电容与第四隔离变压器的副边的两个输出端连接，第五隔离变压器与第二滤波单元相连接，第五输出电容与第五隔离变压器的副边的两个输出端连接，第六隔离变压器与第三滤波单元相连接，第六输出电容与第六隔离变压器的副边的两个输出端连接，第四输出电容、第五输出电容和第六输出电容均与负载输出端口相连接，第四输出电容、第五输出电容和第六输出电容均与电网接口单元相连接。

本发明具有积极的效果：(1)本发明的能够很方便地同时满足客户110V负载和220V负载及电网接口的要求；只要系统工作，用户就可以在负载端口得到两个独立的110Vac离网电压以及一个220Vac的离网电压，可以同时满足客户的110Vac和220Vac电网的需求，同理，只要用户提出来电压需求，都可以通过这个方式组合出来，也可以用三个这样的模块实现三相系统；

(2)本发明的两个110Vac电压输出，实际控制信号为一组，只不过将第一组的正半周驱动用作第二组的负半周驱动，这样就可以得到相位互差180°的两个单项110Vac电压，经过共N线设计，也就通过两根火线输出220Vac的交流电压，而且此种方式控制简单可靠；

(3)本发明的两个独立的(控制互差180°)功率转换模块经过各自的升压变压器输出后的电压串联起来，使得较低的电池电压可以得到较高的电网电压(或者负载电压)，此种连接控制方式较传统的系统可以提高一倍升压比；

(4)隔离变压器较传统的来说，升压比降低一倍，其体积、效率、EMC干扰、制造工艺都得到了简化；

(5)本发明的直流输入单元供电电压更低，采用这种方案更容易实现工频隔离，控制简单。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明：

图1为传统的储能用双向换流器电路示意图；

图2为传统的储能用双向换流器的直流输入单元的波形图；

图3为传统的储能用双向换流器的滤波单元的输出波形图；

图4为传统的储能用双向换流器的隔离变压器的输出波形图；

图5为本发明实施例1的电路示意图；

图6为实施例1的直流输入波形图；

图7为实施例1的第一滤波单元的输出波形图；

图8为实施例1的第二滤波单元的输出波形图；

图9为实施例1的负载输出端口的输出波形图；

图10为实施例2的直流输入波形图；

图11为实施例2的第一输出电容的波形图；

图12为实施例2的第三隔离变压器的输入波形图；

图13为实施例2的第二输出电容的波形图；

图14为实施例2的负载输出端口的输出波形图；

图15为实施例3的电路示意图。

其中：1、直流输入单元，2、功率换流单元，3、滤波单元，4、隔离变压器，5、输出电容，6、电网接口单元，7、负载接口单元，10、直流输入单元，11、第一功率转换单元，12、第二功率转换单元，13、第一滤波单元，14、第二滤波单元，16、负载输出端口，17、电网接口单元，151、第一隔离变压器，152、第一输出电容，153、第二隔离变压器，154、第二输出电容，155、第三隔离变压器，156、第三输出电容，18、第三功率转换单元，19、第三滤波单元，157、第四隔离变压器，158、第四输出电容，159、第五隔离变压器，1510、第五输出电容，1511、第六隔离变压器，1512、第六输出电容。

具体实施方式

本发明公开了一种多功能智能双向换流器，包括直流输入单元10、第一功率转换单元11、第二功率转换单元12、第一滤波单元13、第二滤波单元14、隔离储能单元、负载输出端口16和电网接口单元17，第一功率转换单元11和第二功率转换单元12均与直流输入单元10相连接，第一滤波单元13与第一功率转换单元11相连接，第二滤波单元14与第二功率转换单元12相连接，隔离储能单元用于进行电气隔离、调节电压和储存输出能量，第一滤波单元13和第二滤波单元14均与隔离储能单元相连接，负载输出端口16和电网接口单元17均与隔离储能单元相连接。

其中，第一功率转换单元11和第二功率转换单元12都连接在直流输入单元10上，第一功率转换单元11和第二功率转换单元12在相位上差180°，第一功率转换单元11输出的正弦波经过第一滤波单元13后的正弦波与第二功率转换单元12输出的正弦波经过第二功率转换单元12后的正弦波电压相位互差180°。

实施例1：

如图5所示，隔离储能单元包括第一隔离变压器151、第一输出电容152、第二隔离变压器153和第二输出电容154，第一隔离变压器151与第一滤波单元13相连接，第一输出电容152与第一隔离变压器151的副边的两个输出端连接，第二隔离变压器153与第二滤波单元14相连接，第二输出电容154与第二隔离变压器153的副边的两个输出端连接，第一输出电容152和第二输出电容154均与负载输出端口16相连接，第一输出电容152和第二输出电容154均与电网接口单元17相连接。

直流输入单元10可以为光伏输入、也可以为蓄电池组输入，蓄电池组可以为铅酸电池组也可以为锂离子电池组，对于小型户用储能系统，其输入电压一般低于100V，多数采用48V系统电压；第一功率转换单元11和第二功率转换单元12为功率开关管构成的桥型换流结构，其输入为直流输入单元的直流电Vbat，其输出则可以得到正弦波调制的斩波波形，两个独立的第一功率转换单元11和第二功率转换单元12的驱动信号为同一组信号相位相差180°调制而成，其输出斩波波形相位相差180°；第一滤波单元13和第二滤波单元14由两只电感、一只电容组成，其结构不限于这种LLC(π)型结构，也可以是LCL(T型结构)或者是简单的LC(一只电感)结构，第一功率转换单元11和第二功率转换单元12输出的斩波波形经过第一滤波单元13和第二滤波单元14之后，即被转换为标准的正弦波波形，其有效值最大约为(48V/1.414)*0.9＝30Vac，第一滤波单元13和第二滤波单元14输出的电压波形相位相差180°，如图5虚线正弦电压波形所示；该输出正弦波经过第一隔离变压器151和第二隔离变压器153隔离升压后，得到两组110Vac的标准正弦波，该标准正弦波形相位也互差180°，这两组互差180°正弦波在输出电容上串联连接，即可得到两组独立的110Vac正弦波输出和一组220Vac正弦波输出，即可实现本发明所解决的问题；其中Vac表示交流电压，Vdc表示直流电压。

两路独立的110Vac输出，每一路的带载能力取决于各自独立的功率转换单元和滤波单元以及隔离变压器，整个过程中，隔离变压器升压比为110/30，较传统220/30降低一倍；两个独立的110Vac负载总功率共享220Vac总功率，也就是说，带了一部分110Vac负载，那么220Vac负载则等于带载那一路的110Vac负载剩余容量的两倍；

各部分输出波形及相位如图5中虚线及图6-9波形所示，能够很明显地降低升压变压器变比，有利于应用于低压储能系统中，同时，其合成的输出电压波形，可以使得客户有更灵活的选择。

实施例2：

如图10所示，隔离储能单元包括第三隔离变压器155和第三输出电容156，第三隔离变压器155的一个原边输入端与第一滤波单元13相连接，第三隔离变压器155的另一个原边输入端与第二滤波单元14相连接，第三输出电容156与第三隔离变压器155的副边的两个输出端连接，第三输出电容156与负载输出端口16相连接，第三输出电容156与电网接口单元17相连接。

其中，图10与图5的不同之处在于两个独立的第一功率转换单元11和第二功率转换单元12的输出互差180°的斩波波形在经过第一滤波单元13和第二滤波单元14之后，即进行串联连接，此处得到的正弦波波形最大为(48/1.414)*0.9*2＝60Vac，只采用一个第三隔离变压器155，其升压比为220/60，升压比同图5，但可以采用一套升压隔离变压器就可以做到低压直流系统直接转220Vac交流电压，同样可以适用于低直流电压储能系统。

第一功率转换单元11和第二功率转换单元12同样采用同一组驱动信号经过180°相位差调制，其输出为互差180°的正弦调制的斩波波形；在第三隔离变压器155之前进行串联连接，第三隔离变压器155输出只能得到一路220Vac的交流电压给负载或者电网使用，但该种结构能够有效解决低压直流系统(如低于48Vdc电池电压)逆变至220Vac或者更高电压等级的电网或者负载使用；能够有效地减小变压器变比，降低变压器原边的电流，降低系统EMC干扰；能够有效提升变压器的效率，变压器的加工工艺也简单化了。

各部分输出波形如图11-14所示，直流输入单元10的电压Vbat经过第一功率转换单元11和第二功率转换单元12，再经过第一滤波单元13和第二滤波单元14之后得到两组互差180°的最大有效值为30V的交流电压，经过输出串联后得到最大有效值为60Vac的交流电压(虚线所示)，再经过第三隔离变压器155升压后得到220Vac的输出交流电压供负载及并网使用。

实施例3：

如图15所示，多功能智能双向换流器还包括第三功率转换单元18、第三滤波单元19、隔离储能单元包括第四隔离变压器157、第四输出电容158、第五隔离变压器159、第五输出电容1510、第六隔离变压器1511和第六输出电容1512，第三功率转换单元18与直流输入单元10相连接，第三滤波单元19与第三功率转换单元18相连接，第四隔离变压器157与第一滤波单元13相连接，第四输出电容158与第四隔离变压器157的副边的两个输出端连接，第五隔离变压器159与第二滤波单元14相连接，第五输出电容1510与第五隔离变压器159的副边的两个输出端连接，第六隔离变压器1511与第三滤波单元19相连接，第六输出电容1512与第六隔离变压器1511的副边的两个输出端连接，第四输出电容158、第五输出电容1510和第六输出电容1512均与负载输出端口16相连接，第四输出电容158、第五输出电容1510和第六输出电容1512均与电网接口单元17相连接。

其中，功率换流及滤波隔离单元A包括第一滤波单元13、第四隔离变压器157和第四输出电容158，功率换流及滤波隔离单元B包括第二滤波单元14、第五隔离变压器159和第五输出电容1510，功率换流及滤波隔离单元C包括第三滤波单元19、第六隔离变压器1511和第六输出电容1512，功率换流及滤波隔离单元A作为系统的主机，其输出得到三相系统中的电压A相，同时，将功率换流及滤波隔离单元A的驱动控制信号相位向后偏移120°作为功率换流及滤波隔离单元B的驱动控制信号；功率换流及滤波隔离单元B输出得到三相系统中的电压B相；功率换流及滤波隔离单元A的驱动控制信号相位向后偏移240°作为功率换流及滤波隔离单元C的驱动控制信号，功率换流及滤波隔离单元C的输出得到三相系统中的电压C相；在负载输出端口16和电网接口单元17处即可得到三相电压L1、L2、L3、N。

在负载输出口可以得到三个独立的单相电压L1-N、L2-N、L3-N以及一个对称的三相电压L1/L2/L3-N；能够有效地满足客户单相及三相负载的需求；

图15可以做成不对称的结构，也就是三相的功率可以不对称，例如对于一个10KW的三相系统，A相可以设计功率为6KW，B相和C相设计功率分别为2KW，那么，可以得到一个独立的4KW的单相电压L1-N，和一个对称的6KW的三线电压L1/L2/L3-N；极大地优化了三相系统的输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。