一种多端口磁网络能源路由器及控制方法、设备

本发明属于隔离型电力电子变流器领域，具体涉及一种多端口磁网络能源路由器及控制方法。

背景技术：

1、磁网络能源路由器采用了多端电力电子变流器与高压大功率多绕组中频变压器的集成结构，因其具有端口电压等级变换灵活、电气隔离、功率与电能质量可控的优势，满足未来多种形式电源、储能、负荷设备的接入要求，并能显著提升多类型综合能源系统的性能、效率及可靠性，在交直流混合配电网/微电网、新能源直流并网、电动汽车充电站、数据中心电源等领域广受关注。

2、由于在不同的磁芯结构设计及磁集成方式下，高压大功率多绕组中频变压器中各端口间的耦合特性及等效漏感不同，因此如何设计高压大功率多绕组中频变压器的磁芯结构及磁集成方式是实现磁网络能源路由器高功率密度、大容量高效可靠运行的关键技术。针对磁芯结构设计，传统高压大功率多绕组中频变压器采用ee型磁芯或uu型磁芯，但ee型磁芯多绕组集成能力有限，且磁芯将绕组两面包围，受绝缘安全距离影响，其需较大的窗口面积，从而降低了多绕组变压器的功率密度；uu型磁芯多绕组集成能力亦有限，且易导致绕组间漏感难以准确估算。针对磁集成方式，传统高压大功率多绕组中频变压器采用调节主磁路气隙方法调节端口间的等效漏感，从而提高系统功率传输能力，但等效漏感调节范围有限且将显著增大变压器体积。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提供一种多端口磁网络能源路由器结构及控制方法，其不仅能有效集成多个全桥型变流器、提高系统功率密度，且能在各变流器端口磁集成等效大漏感，从而实现各端口大功率能量路由，解决了传统磁网络能源路由器系统高功率密度及大功率能量路由特性无法兼得的问题。

2、本发明通过以下技术方案实现所要解决的技术问题：

3、本发明提出一种多端口磁网络能源路由器，包括：含分布式磁芯柱的双磁板压接式 n绕组变压器，第一至第 n全桥型变流器；所述双磁板压接式 n绕组变压器包括第一至第 n分布式磁芯柱、第一至第 n功率绕组、第一至第二漏磁芯柱、第一至第二磁板，所述第一至第 n功率绕组分别紧密绕制在第一至第 n分布式磁芯柱上；所述第一至第 n分布式磁芯柱的上端、第一漏磁芯柱的上端分别与第一磁板连接；所述第一至第 n分布式磁芯柱的下端、第二漏磁芯柱的下端分别与第二磁板连接。

4、所述第一至第 n分布式磁芯柱、第一至第二漏磁芯柱、第一至第二磁板取相同的软磁材料；第一至第 n分布式磁芯柱的截面积及长度相同；所述第一至第二漏磁芯柱的截面积及长度相同，且第一、第二漏磁芯柱之间留有气隙。

5、磁网络能源路由器具有 n个端口，所述全桥型变流器包括第一至第四逆导型igbt、直流电容和直流源；其中，第一逆导型igbt的集电极、第三逆导型igbt的集电极分别连接直流电容及直流源的正极；第二逆导型igbt的发射极及第四逆导型igbt的发射极分别连接直流电容及直流源的负极；第一逆导型igbt的发射极连接第二逆导型igbt的集电极，该连接点分别与第一至第n功率绕组的下端连接；第三逆导型igbt的发射极连接第四逆导型igbt的集电极，该连接点分别与第一至第n功率绕组的上端连接。

6、针对上述结构，本发明提出一种适用于多端口磁网络能源路由器的控制方法，包括以下步骤：

7、s1、分别计算第 i全桥型变流器与第 j全桥型变流器的等效连接电感 l ij， i ≠  j；

8、s2、根据磁网络能源路由器中各直流源参考功率，分别计算第一至第 n全桥型变流器的稳态控制移相角 φ1s、…、 φ ns；

9、s3、计算磁网络能源路由器功率解耦控制矩阵 h；

10、s4、通过功率闭环控制，分别计算第二至第 n全桥型变流器的控制移相角微增量 ∆ φ2、…、 ∆φ n；

11、s5、分别计算控制移相角 φ1、…、 φ n，控制第一至第 n全桥型变流器输出移相角分别为 φ1、…、 φ n的百分之五十占空比方波电压，最终实现磁网络能源路由器的给定功率控制。

12、最后，本发明还提出一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明所述控制方法的步骤。

13、与现有技术相比，本发明采用以上技术方案，具有如下有益技术效果：

14、本发明提出的多端口磁网络能源路由器结构，相比传统高压大功率多绕组中频变压器采用的ee型磁芯或uu型磁芯结构具有更优的多绕组集成能力及功率密度，解决ee型磁芯或uu型磁芯多绕组集成能力及功率密度低的问题。

15、本发明提出的多端口磁网络能源路由器结构，通过调节一对漏磁芯柱间的气隙调节端口间的等效漏感，与传统高压大功率多绕组中频变压器采用调节主磁路气隙以调节端口间的等效漏感相比，等效漏感调节范围更宽，因此系统功率传输能力更强，且不会显著增大变压器体积。

16、本发明提出的适用于多端口磁网络能源路由器的控制方法，在不同的功率传输等级下均可通过控制各全桥型变流器输出移相角不同的百分之五十占空比方波电压，实现磁网络能源路由器的给定功率控制，与传统磁网络能源路由器相比，控制方法适用范围更广，具有较强的实用性。

技术特征：

1.一种多端口磁网络能源路由器，其特征在于，包括：含分布式磁芯柱的双磁板压接式n绕组变压器，第一至第n全桥型变流器；所述双磁板压接式n绕组变压器包括第一至第n分布式磁芯柱、第一至第n功率绕组、第一至第二漏磁芯柱、第一至第二磁板，所述第一至第n功率绕组分别紧密绕制在第一至第n分布式磁芯柱上；所述第一至第n分布式磁芯柱的上端、第一漏磁芯柱的上端分别与第一磁板连接；所述第一至第n分布式磁芯柱的下端、第二漏磁芯柱的下端分别与第二磁板连接。

2.根据权利要求1所述的一种多端口磁网络能源路由器，其特征在于，所述第一至第n分布式磁芯柱、第一至第二漏磁芯柱、第一至第二磁板取相同的软磁材料；第一至第n分布式磁芯柱的截面积及长度相同；所述第一至第二漏磁芯柱的截面积及长度相同，且第一、第二漏磁芯柱之间留有气隙。

3.根据权利要求2所述的一种多端口磁网络能源路由器，其特征在于，磁网络能源路由器具有n个端口，所述全桥型变流器包括第一至第四逆导型igbt、直流电容和直流源；其中，第一逆导型igbt的集电极、第三逆导型igbt的集电极分别连接直流电容及直流源的正极；第二逆导型igbt的发射极及第四逆导型igbt的发射极分别连接直流电容及直流源的负极；第一逆导型igbt的发射极连接第二逆导型igbt的集电极，该连接点分别与第一至第n功率绕组的下端连接；第三逆导型igbt的发射极连接第四逆导型igbt的集电极，该连接点分别与第一至第n功率绕组的上端连接。

4.一种适用于权利要求1-3任一所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

5.根据权利要求4所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，所述s1中第i全桥型变流器与第j全桥型变流器的等效连接电感lij的计算公式为：

6.根据权利要求5所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，所述s2中稳态控制移相角φ1s、…、φns的计算公式为：

7.根据权利要求6所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，所述s3中磁网络能源路由器功率解耦控制矩阵h的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，所述s4中通过功率闭环控制方法分别计算控制移相角微增量∆φ2、…、∆φn，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的多端口磁网络能源路由器的控制方法，其特征在于，所述s5中控制移相角φ1、…、φn的计算公式为：

10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求4至9中任一项所述控制方法的步骤。

技术总结
本发明公开了一种多端口磁网络能源路由器及控制方法，磁网络能源路由器包括含分布式磁芯柱的双磁板压接式N绕组变压器，N个全桥型变流器；控制方法包括：S1、计算不同变流器的等效连接电感；S2、根据磁网络能源路由器中各直流源参考功率，计算所有变流器的稳态控制移相角；S3、计算磁网络能源路由器功率解耦控制矩阵；S4、通过功率闭环控制，计算第二至第N变流器的控制移相角微增量；S5、控制变流器输出移相角不同的50%占空比方波电压，实现磁网络能源路由器的给定功率控制。本发明不仅能有效集成多个全桥型变流器、提高系统的功率密度，且能在各变流器端口磁集成等效大漏感，实现各端口大功率给定能量路由。

技术研发人员：邓富金,吕泳庆,沈湛
受保护的技术使用者：东南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13