一种一体化多端口直流变换器及系统的制作方法

1.本实用新型涉及电力电子开关技术领域，具体涉及一种一体化多端口直流变换器及系统。


背景技术：

2.随着分布式电源、燃料电池、制氢装置以及储能设备等直流电源和直流负载的接入，需要将多种具有不同输出特性的直流电源和新型负荷通过一个功率接口组成一个混合发电系统。多端口变换器具有能够通过控制端口间的协调控制进行多种能源的能量管控与分配等特点。通过合理的控制方式，多端口变换器能够实现系统工作模式的自主切换，并且能够提高输出电能的质量，提高配电网灵活性。
3.目前国内外对多端口直流变换器进行了越来越多的研究，在不同的应用场景中对不同类型的拓扑结构都有分析，按照有无电气隔离可以划分为非隔离型、部分隔离型和完全隔离型三种类型。非隔离型和部分隔离型的变换器没有实现完全的电气隔离，存在一定安全隐患，不适用于功率较大的场合。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型提供了一种一体化多端口直流变换器及系统，以解决非隔离型和部分隔离型的变换器没有实现完全的电气隔离的问题。
5.第一方面，本实用新型提供了一种一体化多端口直流变换器，包括：多个整流器、多个逆变器、多个电源端口、多个供电端口及多绕组隔离变压器，其中，逆变器，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；整流器，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；每个电源端口连接一种类型电源，每个供电端口连接一种类型负载。
6.本实用新型的多端口直流变换器可灵活接入多种能源和多元负载，满足不同场景下对端口和电压的需求。
7.在一种可选的实施方式中，电源包括：电网及新能源。
8.在一种可选的实施方式中，负载包括：制氢系统及储能系统。
9.在一种可选的实施方式中，当电网故障时，新能源为制氢系统及储能系统供电；当电网及新能源均故障时，储能系统为制氢系统供电。
10.在一种可选的实施方式中，逆变器包括：第一直流支撑电容及全桥逆变电路，其中，全桥逆变电路，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；第一直流支撑电容，其与全桥逆变电路的直流侧并联连接。
11.在一种可选的实施方式中，全桥逆变电路包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关及第四可控开关，其中，第一可控开关与第二可控开关串联连接后构成第一桥臂；第三可控开关与第四可控开关串联连接后构成第二桥臂；第一桥臂的中点及第二桥臂的中点分别与多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；第一桥臂与第二桥臂并
联连接后与一个电源端口连接。
12.在一种可选的实施方式中，当供电端口与制氢系统连接时，整流器包括：第二直流支撑电容及升压电路，其中，升压电路，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第二直流支撑电容，其与升压电路的直流侧并联连接。
13.在一种可选的实施方式中，升压电路包括：第一二极管、第二二极管、第五可控开关及第六可控开关，其中，第一二极管与第五可控开关串联连接后构成第一桥臂；第二二极管与第六可控开关串联连接后构成第二桥臂；第一桥臂的中点及第二桥臂的中点分别与多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；第一桥臂与第二桥臂并联连接后与制氢系统连接。
14.本实用新型的高频变换器一体化结构设计，利用可控、不控两种类型的器件，最大限度的减少了器件的数量，减小占地面积，简化外部接线，适合应用于配电网中。
15.在一种可选的实施方式中，当供电端口与储能系统连接时，整流器包括：第三直流支撑电容及全桥整流电路，其中，全桥整流电路，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第三直流支撑电容，其与全桥整流电路的直流侧并联连接。
16.第二方面，本实用新型提供了一种一体化多端口直流变换系统，包括：多个第一方面的直流变换器，其中，多个直流变换器的逆变器的直流侧串联或并联连接后，与一个电源端口连接；多个直流变换器的整流器的直流侧串联或并联连接后，与一个供电端口连接。
附图说明
17.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1是根据本实用新型实施例的多端口直流变换器的结构示意图；
19.图2是根据本实用新型实施例的另一多端口直流变换器的结构示意图；
20.图3是根据本实用新型实施例的多端口直流变换器的工作原理图；
21.图4是根据本实用新型实施例的多端口直流变换系统的结构示意图。
具体实施方式
22.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例
23.在本实施例中提供了一种一体化多端口直流变换器，应用于直流配电网两路电源互投、以及交流配电网柔性互联的场景，可以实现在切换过程中的电压稳定。如图1所示，多端口直流变换器包括：多个整流器11、多个逆变器12、多个电源端口13、多个供电端口14及多绕组隔离变压器tr。
24.如图1所示，逆变器12，其直流侧与一个电源端口13连接，其交流侧与多绕组隔离
变压器tr的一组原边绕组连接；整流器11，其交流侧与多绕组隔离变压器tr的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；多绕组隔离变压器tr原边与副边之间的能量通过变压器自身漏感来传递能量。
25.如图1所示，每个电源端口13连接一种类型电源，每个供电端口连接一种类型负载，并且各端口通过外部接口电路，端口可串联、并联或者独立，端口数量可灵活配置。
26.本实施例的多端口直流变换器可灵活接入多种能源和多种负载，满足不同场景下对端口和电压的需求。可选地，电源包括：电网、燃料电池及新能源。负载包括：制氢系统及储能系统。
27.在一种可选的实施方式中，当电网故障时，新能源为制氢系统及储能系统供电；当电网及新能源均故障时，储能系统为制氢系统供电。
28.具体地，本实施例的多端口直流变压器有以下三种模态：
29.(1)电网及新能源同时为制氢系统及储能系统供电。(2)新能源退出运行时，电网为制氢系统及储能系统供电，其中，储能系统所连接供电端口的状态取决于soc，充满的情况下储能不工作。(3)高压侧电源(即电网及新能源)不投入时，由储能系统为制氢系统供电。
30.需要说明的是，以上三种模态仅用于举例，但并不以此为限制，各整理器及逆变器具体性能需求由接入设备决定。
31.在一种可选的实施方式中，逆变器包括：第一直流支撑电容及全桥逆变电路，其中，全桥逆变电路，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；第一直流支撑电容，其与全桥逆变电路的直流侧并联连接。
32.示例性地，以图2所示的四端口直流变换器为例，两个整流器及两个逆变器均为全桥结构，其中，高压侧端口#1为直流电源端口，端口#2为新能源(光伏)接入端口，低压直流侧端口#3为制氢端口，端口#4为储能接入端口。
33.可选地，端口#1、端口#2均采用dab拓扑，其中，光伏接入端口#2后为保证mppt需考虑电压调节范围；端口#3与制氢系统连接，为保证宽范围工作条件，灵活调节输出电压且电压电流纹波控制在5％以内，端口#3拓扑为高频交错并联boost结构，并合理选择端口稳压电容保证电压电流低纹波输出；端口#4连接储能系统，该端口需考虑充放电能量双向流动，采用dab拓扑结构，配合soc控制电池充放电。
34.可选地，全桥逆变电路包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关及第四可控开关，其中，第一可控开关与第二可控开关串联连接后构成第一桥臂；第三可控开关与第四可控开关串联连接后构成第二桥臂；第一桥臂的中点及第二桥臂的中点分别与多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；第一桥臂与第二桥臂并联连接后与一个电源端口连接。
35.示例性地，以图2所示的四端口直流变换器为例，端口#1、端口#2为全桥逆变电路，第一可控开关(s1、s5)与第二可控开关(s2、s6)串联连接后构成第一桥臂，第三可控开关(s3、s7)与第四可控开关(s4、s8)串联连接后构成第二桥臂，两个桥臂并联连接。
36.在一种可选的实施方式中，当供电端口与制氢系统连接时，整流器11包括：第二直流支撑电容及升压电路，其中，升压电路，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第二直流支撑电容，其与升压电路的直流侧并联连接。
37.可选地，升压电路包括：第一二极管、第二二极管、第五可控开关及第六可控开关，其中，第一二极管与第五可控开关串联连接后构成第一桥臂；第二二极管与第六可控开关串联连接后构成第二桥臂；第一桥臂的中点及第二桥臂的中点分别与多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；第一桥臂与第二桥臂并联连接后与制氢系统连接。
38.示例性地，以图2所示的四端口直流变换器为例，端口#3为升压电路，第一二极管d1与第五可控开关s9串联连接后构成第一桥臂，第二二极管d2与第六可控开关s
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串联连接后构成第二桥臂，两个桥臂并联连接。
39.在一种可选的实施方式中，当供电端口与储能系统连接时，整流器包括：第三直流支撑电容及全桥整流电路，其中，全桥整流电路，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第三直流支撑电容，其与全桥整流电路的直流侧并联连接。全桥整流电路及第三直流支撑电容的连接方式、全桥整流电路的具体拓扑结构，如图2所示的端口#4结构。
40.示例性地，以图2所示的四端口直流变换器为例，对于图2所示拓扑的控制方法如下：
41.(1)端口#1、端口#2均为全桥电路，两个全桥内开关管脉冲一致，占空比均为0.5，且对管同时开通，上下管互补，可将端口#1和端口#2看作一个全桥电路，端口#4作为另一个全桥电路，通过变压器自身漏感来传递能量，整体电路可看成单相dab电路。其工作原理类似于电力系统中感性线路传输中的电压相位决定有功功率的结论，功率从相位超前的一侧流向相位滞后的一侧，其功率流动的大小和方向可以通过原副边驱动脉冲的超前滞后关系和移相角度决定。
42.具体地，本实施例dab拓扑结构的工作原理类似于电力系统中感性线路传输中的电压相位决定有功功率的结论，功率从相位超前的一侧流向相位滞后的一侧。此外，端口#3全桥内开关管开关频率是端口#1、端口#2桥内开关管开关频率的整数倍。
43.(2)端口#3为boost电路，端口1与端口2的变压器匝数相同，端口#1与端口#3的变压器变比为n:1。
44.具体地，本实施例端口电路之间的控制策略可采用移相控制和变占空比控制，变换器整体电路的工作原理如图3中所示。
45.参考图3，当直接并网启动时，首先使端口#1、端口#2全桥内开关管占空比从零缓慢增加，此时端口#3桥内开关管关断，处于整流工作状态。当端口#1、端口#2开关管占空比增加时，传输功率也在缓慢增加，端口#3的输出电压也在缓慢增大。当端口#1、端口#2桥内开关管占空比增加至0.5时刻，端口#3输出电压为该端口变压器绕组两端电压，此时端口#3桥内开关管占空比开始从零缓慢增加，端口#3输出电压则继续缓慢增加直至达到预设稳态输出值，最后进入稳态闭环控制。
46.本实施例高压侧端口可通过级联分压，降低全桥内开关器件的耐压等级；储能端口采用桥间移相控制策略，仅通过变压器漏感既能实现能量传输；制氢端口通过一个全桥电路和变压器漏感，实现了交错boost电路工作模式，采用同步异频调制策略，在实现升压的同时可有效降低输出电压纹波。
47.本实施例提供一种一体化多端口直流变换系统，如图4所示，其特征在于，包括：多个上述实施例及可选实施方式的直流变换器，其中，多个直流变换器的逆变器的直流侧串
联或并联连接后，与一个电源端口连接；多个直流变换器的整流器的直流侧串联或并联连接后，与一个供电端口连接。
48.虽然结合附图描述了本实用新型的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种一体化多端口直流变换器，其特征在于，包括：多个整流器、多个逆变器、多个电源端口、多个供电端口及多绕组隔离变压器，其中，逆变器，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与所述多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；整流器，其交流侧与所述多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；每个电源端口连接一种类型电源，每个供电端口连接一种类型负载。2.根据权利要求1所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，所述电源包括：电网及新能源。3.根据权利要求2所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，所述负载包括：制氢系统及储能系统。4.根据权利要求3所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，当所述电网故障时，所述新能源为制氢系统及储能系统供电；当所述电网及所述新能源均故障时，所述储能系统为所述制氢系统供电。5.根据权利要求1所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，所述逆变器包括：第一直流支撑电容及全桥逆变电路，其中，全桥逆变电路，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与所述多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；第一直流支撑电容，其与所述全桥逆变电路的直流侧并联连接。6.根据权利要求5所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，所述全桥逆变电路包括：第一可控开关、第二可控开关、第三可控开关及第四可控开关，其中，所述第一可控开关与所述第二可控开关串联连接后构成第一桥臂；所述第三可控开关与所述第四可控开关串联连接后构成第二桥臂；所述第一桥臂的中点及所述第二桥臂的中点分别与所述多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；所述第一桥臂与所述第二桥臂并联连接后与一个电源端口连接。7.根据权利要求3所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，当供电端口与制氢系统连接时，所述整流器包括：第二直流支撑电容及升压电路，其中，升压电路，其交流侧与所述多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第二直流支撑电容，其与所述升压电路的直流侧并联连接。8.根据权利要求7所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，所述升压电路包括：第一二极管、第二二极管、第五可控开关及第六可控开关，其中，所述第一二极管与所述第五可控开关串联连接后构成第一桥臂；所述第二二极管与所述第六可控开关串联连接后构成第二桥臂；所述第一桥臂的中点及所述第二桥臂的中点分别与所述多绕组隔离变压器的一组副边绕组的两端对应连接；所述第一桥臂与所述第二桥臂并联连接后与所述制氢系统连接。9.根据权利要求3所述的一体化多端口直流变换器，其特征在于，当供电端口与储能系
统连接时，所述整流器包括：第三直流支撑电容及全桥整流电路，其中，全桥整流电路，其交流侧与所述多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；第三直流支撑电容，其与所述全桥整流电路的直流侧并联连接。10.一种一体化多端口直流变换系统，其特征在于，包括：多个权利要求1至9任一项所述的直流变换器，其中，多个直流变换器的逆变器的直流侧串联或并联连接后，与一个电源端口连接；多个直流变换器的整流器的直流侧串联或并联连接后，与一个供电端口连接。

技术总结
本实用新型涉及电力电子开关技术领域，公开了一种一体化多端口直流变换器，逆变器，其直流侧与一个电源端口连接，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组原边绕组连接；整流器，其交流侧与多绕组隔离变压器的一组副边绕组连接，其直流侧与一个供电端口连接；每个电源端口连接一种类型电源，每个供电端口连接一种类型负载。多端口直流变换器可灵活接入多种能源和多元负载，满足不同场景下对端口和电压的需求。满足不同场景下对端口和电压的需求。满足不同场景下对端口和电压的需求。


技术研发人员：刘海军 赵国亮 李卫国 慕小斌 徐云飞 杨士慧 乔光尧 尉志勇 王志凯 李芳义 杨春 张淆雨 袁佩娥 王轩 毛航银 李乃一
受保护的技术使用者：国网智能电网研究院有限公司
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/9/19