一种交直流复用的功率变换器及其控制方法与流程

1.本发明属于电气技术领域，具体涉及一种交直流复用的功率变换器及其控制方法。


背景技术：

2.能源互联网可理解是综合运用先进的电力电子技术,信息技术和智能管理技术,将大量由分布式能量采集装置,分布式能量储存装置和各种类型负载构成的新型电力网络节点互联起来,以实现能量双向流动的能量对等交换与共享网络。
3.各种类型的能源设备接入能源互联网时需要进行能量转换。传统的控制器在处理各个类型的能源设备的接入时，针对不同类型的能源设备需要通过复杂的交直流模拟转换设备或变压器实现能源的有效转换，并且每种转换都需要不同的设备，比如直流-直流的转换，直流-交流的转换，其中交流的电压、频率、相位可能各不相同。为满足不同用电设备的需求,转换系统所配有的电源数量和种类都比较多,导致装置体积大、供电方案复杂,并且增加了系统损耗，也不利于整个系统的稳定运行。


技术实现要素：

4.本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种交直流复用的功率变换器及其控制方法，能够分时序输出不同形式电能。
5.本发明采用的技术方案是：一种交直流复用的功率变换器：包括一个开关模块、若干个端口、直流母线电容和控制分析模块；各路端口配置有开关；所述开关模块一端连接直流母线电容，另一端连接每一路端口的开关；所述端口一端连接电源或者负载，另一端连接该路端口的开关；当任一路端口配置的开关闭合时，其他路开关断开；所述直流母线电容一侧接地，另一侧连接开关模块进行能量交换；所述控制分析模块通过控制线连接各个端口的开关和开关模块，并基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号；所述开关模块的驱动信号按照端口数量划分成多时序开关周期，每个时序开关周期分别对应一个的端口；控制分析模块在任一个端口对应的时序开关周期，驱动该端口对应的开关闭合，同时驱动开关模块向该端口输出对应电压和频率的电能或者接收该端口输出的电能；所述直流母线电容应用于能源系统中；能源系统通过直流母线电容和开关模块为各端口所连接的负载供电或者通过开关模块和直流母线电容接收各端口所连接的电源输出的电能。
6.上述技术方案中，所述控制分析模块根据每个端口所连接的负载或者电源的电压、电流和频率，计算每个端口所连接的负载或者电源得到每个端口相应的电压幅值、频率、输出功率大小，并确定每个端口所连接的负载正常工作所需的供电周期以及时序，从而确定开关模块和开关的驱动信号的控制参数。
7.上述技术方案中，包括以下步骤：能源系统开启后，控制分析模块根据n个端口所连接的负载或者电源的电能特性，按照端口数量对开关模块的开关周期进行排序和划分，
并确定每个开关周期相应的死区时间:第i个开关周期内第i个端口的开关闭合，其余所有端口的开关断开，控制分析模块驱动开关模块工作，如果第i个端口连接的为负载则基于该负载的电能特性将直流母线电容中的电能经由开关模块输出到第i个端口，如果第i个端口连接的为电源则基于该电源的电能特性将该电源输出的电能经由开关模块输出到直流母线电容；第i个开关周期结束时，第i个端口的开关断开；在死区时间内，控制分析模块断开所有端口的开关，并控制开关模块停止工作；经过死区时间后，第i+1个开关周期开始，并重复上述流程；完成第n个开关周期对第n个端口的输入后，将回到第1个开关周期，重新为第一个端口的负载供电或者接收该端口所接电源输出的电能。
8.上述技术方案中，控制分析模块基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号的过程包括：控制模块获取每个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的输出电压，并基于直流母线电容电压计算得到每个端口的占空比；基于下式确定每个端口的开关周期ti，i＝1,2,...,n；
[0009]vi
＝di*v
dc (1)
[0010][0011]di
＜t
i (3)
[0012]
其中，v
dc
表示直流母线电容电压；vi表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的输出电压；di表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的占空比；ti第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的工作周期；f和t分别表示开关模块的工作频率和周期
[0013]
本发明的有益效果是：本发明可以通过复用同一控制模块，同时满足不同类型、不同种类的生产设备高效运行，从此不再拘泥于必须不同电制电能独立供电。通过不同的输入输出端口均连接开关模块，由直线母线电容实现充放电，从而减少了所配有的电源数量和种类，进一步压缩了装置体积，简化了供电方案，有利于整个系统的稳定运行。同时通过数字化控制实现灵活有效的交直流复用功能，可以大大提高能源转换效率，提高能量路由器乃至能源互联网的整体性能。
[0014]
进一步的，本发明的控制分析模块基于每个端口所连接的负载和电源确定时序周期，保证了多个端口所连接的设备均能够同时正常进行使用，提高了能源系统的整体利用率。
[0015]
进一步的，本发明开关模块的驱动信号按照端口数量划分成多时序开关周期，并设置每个端口对应的时序和死区时间，保证能源系统的整体安全性和稳定性。
[0016]
进一步的，本发明的控制分析模块基于每个端口的电能特性合理计算每个端口的时序和开关周期，保证每个端口所连接的设备都可以正常使用。
附图说明
[0017]
图1为本技术实施例所提供的交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器结构图。
[0018]
图2为本技术实施例所提供的交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器的控制信号图a。
[0019]
图3为本技术实施例所提供的交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器的控制信号图b。
[0020]
图4本技术实施例所提供的交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器的工作流程图。
具体实施方式
[0021]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
[0022]
如图1所示，本发明提供了一种交直流复用的功率变换器：包括一个开关模块、若干个端口、直流母线电容和控制分析模块；各路端口配置有开关；所述开关模块一端连接直流母线电容，另一端连接每一路端口的开关；所述端口一端连接电源或者负载，另一端连接该路端口的开关；当任一路端口配置的开关闭合时，其他路开关断开；所述直流母线电容一侧接地，另一侧连接开关模块进行能量交换；所述控制分析模块通过控制线连接各个端口的开关和开关模块，并基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号；所述开关模块的驱动信号按照端口数量划分成多时序开关周期，每个时序开关周期分别对应一个的端口；控制分析模块在任一个端口对应的时序开关周期，驱动该端口对应的开关闭合，同时驱动开关模块向该端口输出对应电压和频率的电能或者接收该端口输出的电能；所述直流母线电容应用于能源系统中；能源系统通过直流母线电容和开关模块为各端口所连接的负载供电或者通过开关模块和直流母线电容接收各端口所连接的电源输出的电能。
[0023]
上述技术方案中，所述控制分析模块根据每个端口所连接的负载或者电源的电压、电流和频率，计算每个端口所连接的负载或者电源得到每个端口相应的电压幅值、频率、输出功率大小，并确定每个端口所连接的负载正常工作所需的供电周期以及时序，从而确定开关模块和开关的驱动信号的控制参数。
[0024]
上述技术方案中，包括以下步骤：能源系统开启后，控制分析模块根据n个端口所连接的负载或者电源的电能特性，按照端口数量对开关模块的开关周期进行排序和划分，并确定每个开关周期相应的死区时间:第i个开关周期内第i个端口的开关闭合，其余所有端口的开关断开，控制分析模块驱动开关模块工作，如果第i个端口连接的为负载则基于该负载的电能特性将直流母线电容中的电能经由开关模块输出到第i个端口，如果第i个端口连接的为电源则基于该电源的电能特性将该电源输出的电能经由开关模块输出到直流母线电容；第i个开关周期结束时，第i个端口的开关断开；在死区时间内，控制分析模块断开所有端口的开关，并控制开关模块停止工作；经过死区时间后，第i+1个开关周期开始，并重复上述流程；完成第n个开关周期对第n个端口的输入后，将回到第1个开关周期，重新为第一个端口的负载供电或者接收该端口所接电源输出的电能。
[0025]
所述直流母线电容，原理上可采用普通电容，根据实际情况也可选择储电量更大、充放电速度更快、循环寿命更长的超级电容。
[0026]
脉冲宽度调制基于面积等效原理，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同，由此证明了基于pwm进行交直流转换的可行性。
[0027]
基于pwm原理，所述交直流复用端口设备通过对端口中开关器件(igbt、mosfet等)
模块的充放电时序控制，可以以数字化的方式同时实现传统电路的斩波、整流和逆变等功能。
[0028]
本发明提供一种交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器。所述在需要多种形式电能的情况下，通过控制分析模块控制开关模块，将其开关驱动信号按照输出端口数量划分成多时序开关周期，每个时序开关周期对应单独端口，以此达到以同一个开关模块输出多路不同电压、频率的电能。既可同时为各端口提供不同电制的电能，又减少了系统原需配有的电源数量和种类，压缩了装置体积，简化了供电方案，提高了系统稳定性，也降低了多个电源带来的不必要的系统损耗，提高了能源转换效率，提高了能量路由器乃至能源互联网的整体性能。
[0029]
本发明涉及的n个端口的输出电压与母线直流电压由其占空比确定：
[0030]vi
＝di*v
dc (1)
[0031]
而占空比则和开关模块的工作频率f相关，每个端口的开关周期则比其占空比略大，以保证相邻的开关周期存在死区时间，因此不会相互影响。
[0032][0033]di
＜t
i (3)
[0034]
其中，v
dc
表示直流母线电容电压；vi表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的输出电压；di表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的占空比；ti第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的工作周期；f和t分别表示开关模块的工作频率和周期。
[0035]
在其中一个实施例中，一种交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器包括以下的部分技术特征或全部技术特征：
[0036]
在其中一个实施例中，一种交直流复用的同时供电端口设备，母线电压设为v
dc
＝800vdc，由端口1输出直流电压v1＝100vdc、端口2输出交流电压v2＝220vac、端口3输出交流电压v3＝110vac三个主要工作模式过程组成。
[0037]
由于交流电压最大值为有效值乘以则根据式(1)，可计算出d1＝0.125；d2＝0.39；d3＝0.2；之后设置t1＝0.2；t2＝0.5；t3＝0.3。
[0038]
如图2和图3所示，每个工作模式分为数个操作。
[0039]
所述端口1输出直流电压模式中，在第1以及第n+1个开关周期内，端口1的开关闭合，端口2和端口3的开关断开，控制分析模块控制开关模块输出100vdc。
[0040]
所述端口2输出交流电压模式中，在第2以及第n+2个开关周期内，端口2的开关闭合，端口1和端口3的开关断开，控制分析模块控制开关模块输出端口2所需峰值为311v的交流电压。
[0041]
所述端口3输出交流电压模式中，在第3以及第n+3个开关周期内，端口3的开关闭合，端口1和端口2的开关断开，控制分析模块控制开关模块输出端口3所需峰值为155v的交流电压。
[0042]
在其中一个实施例中，交直流复用的同时供电端口设备，其所述结构包括：一个开
关模块、数个输出端口、每个端口配置的端口开关，一个直流母线电容以及一个控制分析模块。
[0043]
所述开关模块用于输出包括直流和交流在内的各个电压、各个频率的电能。所述每个端口配置的端口开关会在开关模块对其输出功率时闭合，所述直流母线电容一般作为电源，某些场景下也可使用超级电容或蓄电池。
[0044]
所述控制分析模块通过控制线连接各个端口开关和开关模块，接受系统所检测的电压、电流、频率、等数据并进一步得到功率、电流方向等数据，分析设备所处状态，进而控制开关模块根据分析结果进入对应工作模式，调整控制参数。
[0045]
所述控制分析模块通过控制线连接开关模块、直流母线电容、端口开关等器件，负责接收能源系统所检测的电压、电流、频率等数据并进一步得到功率、谐波状况等数据，分析开关模块所处状态，进而控制开关模块根据分析结果进入对应工作模式。该模块包括供电单元、通信线路、控制芯片、和外部交互端口。所述供电单元负责为模块供电；所述控制芯片，用于对系统所检测到的电压电流信号进行数据处理，存储数据和产生控制信号；所述通信线路作为信号传输的通道；所述外部交互端口，用于控制分析模块与外部进行信息交互。
[0046]
如图1结构所示，一种交直流复用的分时序输出不同形式电能的功率变换器，按照以下步骤运行：
[0047]
如图4所示，能源系统开启后，控制分析模块根据三个端口所需的电压、频率等不同电能特性，对开关周期进行划分，并将开关周期按照端口数量分为3部分。之后，在开关周期1内，控制分析模块控制端口1开关闭合，并输出端口1所需直流电压。而后，在死区时间内，控制分析模块断开所有端口开关，开关模块停止工作。之后，控制分析模块在开关周期2内控制端口2开关闭合，并输出端口2所需交流电压，并在随后的死区时间内，断开所有端口开关，开关模块停止工作。随后，控制分析模块在开关周期3内控制端口3开关闭合，并输出端口3所需交流电压，并在随后的死区时间内，断开所有端口开关，开关模块停止工作。死区时间结束后，重复开关周期1中的工作流程。
[0048]
若按常规电源配置，则需要800vdc-100vdc(端口1)变流器1套、800vdc-220vac(端口2)逆变器1套、800vdc-110vac(端口3)逆变器1套，若每套逆变器和变流器均采用每套4个开关元件的全桥电路，则共需3*4＝12个开关元件，且每套逆变器和变流器都需配备对应的控制芯片与驱动电路。
[0049]
而应用本实施例，则3个输出端口可有效复用同1套开关模块，同时完成800vdc-100vdc(端口1)、800vdc-220vac(端口2)、800vdc-110vac(端口3)的输出，仅需一套全桥电路也即4个开关元件，但须加上端口开关1、2、3共6个开关器件，共4+6＝10个开关元件，有效节省2个开关元件及其配套的控制芯片与驱动电路。
[0050]
同理，若采用4端口输出，则可节省4*4-(4+2*4)＝4个开关元件的成本。所以本发明较之现有技术除了可以有效提高能源转换效率的同时还能够进一步节约设备造价，从而提高能源系统的整体经济效益。
[0051]
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

技术特征：
1.一种交直流复用的功率变换器，其特征在于：包括一个开关模块、若干个端口、直流母线电容和控制分析模块；各路端口配置有开关；所述开关模块一端连接直流母线电容，另一端连接每一路端口的开关；所述端口一端连接电源或者负载，另一端连接该路端口的开关；当任一路端口配置的开关闭合时，其他路开关断开；所述直流母线电容一侧接地，另一侧连接开关模块进行能量交换；所述控制分析模块通过控制线连接各个端口的开关和开关模块，并基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号；所述开关模块的驱动信号按照端口数量划分成多时序开关周期，每个时序开关周期分别对应一个的端口；控制分析模块在任一个端口对应的时序开关周期，驱动该端口对应的开关闭合，同时驱动开关模块向该端口输出对应电压和频率的电能或者接收该端口输出的电能；所述直流母线电容应用于能源系统中；能源系统通过直流母线电容和开关模块为各端口所连接的负载供电或者通过开关模块和直流母线电容接收各端口所连接的电源输出的电能。2.根据权利要求1所述的一种交直流复用的功率变换器，其特征在于：所述控制分析模块根据每个端口所连接的负载或者电源的电压、电流和频率，计算每个端口所连接的负载或者电源得到每个端口相应的电压幅值、频率、输出功率大小，并确定每个端口所连接的负载正常工作所需的供电周期以及时序，从而确定开关模块和开关的驱动信号的控制参数。3.基于权利要求1所述的一种交直流复用的功率变换器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：能源系统开启后，控制分析模块根据n个端口所连接的负载或者电源的电能特性，按照端口数量对开关模块的开关周期进行排序和划分，并确定每个开关周期相应的死区时间:第i个开关周期内第i个端口的开关闭合，其余所有端口的开关断开，控制分析模块驱动开关模块工作，如果第i个端口连接的为负载则基于该负载的电能特性将直流母线电容中的电能经由开关模块输出到第i个端口，如果端第i个端口连接的为电源则基于该电源的电能特性将该电源输出的电能经由开关模块输出到直流母线电容；第i个开关周期结束时，第i个端口的开关断开；在死区时间内，控制分析模块断开所有端口的开关，并控制开关模块停止工作；经过死区时间后，第i+1个开关周期开始，并重复上述流程；完成第n个开关周期对第n个端口的输入后，将回到第1个开关周期，重新为第一个端口的负载供电或者接收该端口所接电源输出的电能。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：控制分析模块基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号的过程包括：控制模块获取每个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的输出电压，并基于直流母线电容电压计算得到每个端口的占空比；基于下式确定每个端口的开关周期t
i
，i＝1,2,...,n；v
i
＝d
i
*v
dc (1)d
i
＜t
i (3)其中，v
dc
表示直流母线电容电压；v
i
表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的输出电压；d
i
表示第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的占空比；t
i
第i个端口的所连接负载的输入电压或者所连接电源的工作周期；f和t分别表示开关模块的工作频率和周期。

技术总结
本发明采用的技术方案是：一种交直流复用的功率变换器及其控制方法：包括一个开关模块、若干个端口、直流母线电容和控制分析模块；各路端口配置有开关；所述开关模块一端连接直流母线电容，另一端连接每一路端口的开关；所述端口一端连接电源或者负载，另一端连接该路端口的开关；当任一路端口配置的开关闭合时，其他路开关断开；所述直流母线电容一侧接地，另一侧连接开关模块进行能量交换；所述控制分析模块通过控制线连接各个端口的开关和开关模块，并基于各个端口所连接的电源或者负载生成开关模块和开关的驱动信号。本发明能够分时序输出不同形式电能。序输出不同形式电能。序输出不同形式电能。


技术研发人员：桑子夏 雷何 方仍存 杨东俊 汪颖翔 颜炯 黄家祺 郑旭 王琪鑫 蔡杰 杨洁 徐秋实 余轶 侯婷婷 王思聪 刘君瑶 叶学程
受保护的技术使用者：国网湖北省电力有限公司经济技术研究院
技术研发日：2023.03.21
技术公布日：2023/7/18