CN112821581A - 一种恒流送能装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种恒流送能装置，包括：发射模块、接收模块及中继模块，其中，发射模块、中继模块及接收模块相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接；中继模块包括多级中继单元，各级中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，各级中继单元和接收模块均连接一个驱动电路；各级中继单元均包括补偿回路，当前中继单元通过其补偿回路对发射模块或上一级中继单元发送的能量进行补偿，以为各个驱动电路提供具有相同电流参数的电能；当前中继单元的补偿回路包括：接收补偿回路及发射补偿电感。本发明通过无线耦合的非接触方式串行连接，减小了装置体积，实现为全部驱动电路提供恒压电能，提升装置容量和能量传输能力。

Description

一种恒流送能装置

技术领域

本发明涉及电力系统技术、电力电子技术领域，具体涉及一种恒流送能装置。

背景技术

面向电网应用的高压电力电子换流阀中，电压等级可以高达数百甚至数千千伏。为了提升电力电子装置电压等级，需要多个功率半导体器件采用串联方式应用。器件串联应用中，每个器件均需要配置一个门极驱动电路负责器件的控制和保护，因为串联的器件均处于不同电位，相应的门极驱动电路也在不同电位，因此，如何保证驱动电路隔离供电具有重要意义。

发明内容

因此，本发明提供一种恒流送能装置，从而解决现有技术中无法保证驱动电路隔离供电的问题。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明实施例提供一种恒流送能装置，包括：发射模块、接收模块及中继模块，其中，发射模块、中继模块及接收模块相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接，发射模块将能量依次发送给中继模块和接收模块；所述中继模块包括多级中继单元，各级中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，各级中继单元和接收模块均连接一个驱动电路；各级中继单元均包括补偿回路，当前中继单元通过其补偿回路对发射模块或上一级中继单元发送的能量进行补偿，以为各个驱动电路提供具有相同电流参数的电能；当前中继单元的补偿回路包括：接收补偿回路及发射补偿电感，其中，所述接收补偿回路的第一端与发射补偿电感的第一端连接，所述接收补偿回路的第二端与当前中继单元连接的驱动电路的第一端连接，当前中继单元连接的驱动电路的第二端与所述发射补偿电感的第二端连接；所述接收补偿回路用于接收发射模块发送的电能，或接收上一级中继单元发送的电能，并将接收的电能进行初次补偿后输送至对应的驱动电路；所述发射补偿电感用于对驱动电路耗能后的电能进行再次补偿，得到与所述发射模块发送的电能具有相同电流参数的电能，并将再次补偿后的电能传输至下一级中继单元或接收模块。

在一实施例中，当前中继单元接收其对应的上一级中继单元或者发射模块发送的电能；当前中继单元利用接收的电能为其所连接驱动电路供电，并将通过驱动电路耗能后的剩余电能补偿至与所述发射模块发送的电能具有相同电流参数的水平，并通过无线耦合的非接触方式将补偿后的电能传输至其对应的下一级中继单元或者接收模块；接收模块利用接收的电能为其所连接驱动电路供电。

在一实施例中，所述发射模块包括：高频交流电源、第一发射电容、第二发射电容、第一发射电感及第二发射电感，其中，所述高频交流电源、第一发射电容及第一发射电感依次串联连接，构成串联回路；所述串联回路、第二发射电容及第二发射电感并联连接，构成发射回路。

在一实施例中，所述接收模块包括：第一接收电感、第二接收电感、第一接收电容及第二接收电容，其中，所述第一接收电感的第一端通过所述第一接收电容分别与第二接收电容的第一端及第二接收电感的第一端连接；所述第一接收电感的第二端分别与第二接收电容的第二端及驱动电路的第一端连接，所述驱动电路的第二端与第二接收电感的第二端连接。

在一实施例中，所述接收补偿回路包括：第一电感、第一电容及第二电容，其中，所述第一电感的第一端通过第一电容分别与所述第二电容的第一端及发射补偿电感的第一端连接；所述第一电感的第二端分别与第二电容的第二端及驱动电路的第二端连接，所述驱动电路的第二端与所述发射补偿电感的第二端连接。

在一实施例中，各级中继单元的谐振条件满足下式：

式中，ω₀表示工作角频率，L_fn表示各级中继单元中的发射补偿电感参数，C_fn表示各级中继单元中的第二电容参数，L_n表示各级中继单元中的第一电感参数，C_n表示各级中继单元中的第一电容参数，其中n＝1,2,3,…,N。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的恒流送能装置，通过无线耦合的非接触方式将中继模块的多个中继单元串行连接，减小了装置体积，发射模块将能量依次发送至中继模块和接收模块，且每个中继单元通过其内部的补偿回路对接收的能量进行补偿，从而实现为全部驱动电路提供恒压电能，提升装置容量和能量传输能力。

2.本发明提供的恒流送能装置，中继单元中的补偿回路对接收的电能进行补偿，且中继单元中的电感及电压满足谐振条件，从而实现各驱动电路相互独立的恒压源输出特性，装置不会因为单级驱动电路的波动而影响其它驱动电路供电；补偿回路采用电容和电感谐振，电感线圈形位误差主要影响互感变化，电感变化程度小，根据装置拓扑的特性，形位误差对输出恒压特性影响小，因此装置鲁棒性较强。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施方式，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。

图1为本发明实施例提供的恒流送能装置的一个具体示例的组成图；

图2为本发明实施例提供的恒流送能装置的另一个具体示例的组成图；

图3为本发明实施例提供的中继单元的一个具体示例的组成图；

图4为本发明实施例提供的恒流送能装置的具体电路结构；

图5为本发明实施例提供的恒流送能装置的等效电路结构；

图6为本发明实施例提供的恒流送能装置的一具体等效电路结构；

图7为本发明实施例提供的恒流送能装置的另一具体等效电路结构。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例

本发明实施例提供一种恒流送能装置，应用于为多个驱动电路提供恒流电能的场合，如图1所示，包括：发射模块1、接收模块2及中继模块3。

本发明实施例的发射模块1、中继模块3及接收模块2相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接，发射模块1将能量依次发送给中继模块3和接收模块2，即发射模块1将能量首先发送至中继模块3，之后由中继模块3将能量发送至接收模块2。

如图1所示，本发明实施例的中继模块3包括多级中继单元31，各级中继单元31间通过无线耦合的非接触方式串行连接，各级中继单元31和接收模块2均连接一个驱动电路；各级中继单元31均包括补偿回路，每个中继单元31通过其内部的补偿回路对发射模块1或上一级将中继单元31发送的能量进行补偿，以为各个驱动电路提供具有相同电流参数的电能。

其中，如图2所示，当前中继单元31的补偿回路包括：接收补偿回路311及发射补偿电感312，其中，所述接收补偿回路311的第一端与发射补偿电感312的第一端连接，所述接收补偿回路311的第二端与当前中继单元31连接的驱动电路的第一端连接，当前中继单元31连接的驱动电路的第二端与所述发射补偿电感312的第二端连接；所述接收补偿回路311用于接收发射模块1发送的电能，或接收上一级中继单元31发送的电能，并将接收的电能进行初次补偿后输送至对应的驱动电路。

本实施例中，发射补偿电感312用于对驱动电路耗能后的电能进行再次补偿，得到与所述发射模块1发送的电能具有相同电流参数的电能，并将再次补偿后的电能传输至下一级中继单元31或接收模块2。

本发明实施例提供的恒流送能装置，通过无线耦合的非接触方式将中继模块的多个中继单元串行连接，减小了装置体积，发射模块将能量依次发送至中继模块和接收模块，且每个中继单元通过其内部的补偿回路对接收的能量进行补偿，从而实现为全部驱动电路提供恒压电能，提升装置容量和能量传输能力。

在一具体实施例中，当前中继单元31接收其对应的上一级中继单元31或者发射模块1发送的电能；当前中继单元31利用接收的电能为其所连接驱动电路供电，并将通过驱动电路耗能后的剩余电能补偿至与所述发射模块1发送的电能具有相同电流参数的水平，并通过无线耦合的非接触方式将补偿后的电能传输至其对应的下一级中继单元31或者接收模块2；然后接收模块2利用接收的电能为其所连接驱动电路供电。

具体地，如图3所示，中继单元#1～中继单元#N-1分别与驱动电路#1～驱动电路#N连接，接收模块2与驱动电路#N连接，发射模块1将初始的能量发送至中继单元#1，中继单元#1利用接收的电能为驱动电路#1供电，并将供电后的剩余电能补偿至与发射模块1发送的电能具有相同电流参数的水平，并通过无线耦合的非接触方式将补偿后的电能传输至中继单元#2，中继单元#2从中继单元#1接收电能，并利用接收的电能为驱动电路#2供电，并将供电后的剩余电能补偿至与发射模块1发送的电能具有相同电流参数的水平，并将补偿后的电能发送至中继单元#3，以此类推，直到中继单元#N-1从中继单元#N-2接收电能，利用补偿后的电能为驱动电路#N-1供电，并发射模块1发送的电能具有相同电流参数的水平，并将补偿后的电能发送至接收模块2，接收模块2利用接收的电能为驱动电路#N供电，依照上述方法，可以实现为多个驱动电路提供恒流电能以及发射模块1恒流送能。

在一具体实施例中，如图4所示，发射模块1包括：高频交流电源V₀、第一发射电容C₀、第二发射电容C_f0、第一发射电感L₀及第二发射电感L_f0，其中，所述高频交流电源V₀、第一发射电容C₀及第一发射电感L₀依次串联连接，构成串联回路；然后串联回路、第二发射电容C_f0及第二发射电感L_f0并联连接，构成发射回路。

本发明实施例的高频交流电源V₀可由交流电经过H桥逆变器转换成直流获得，或由交流电经过H桥逆变器转换成直流之后，再经过DC-DC等电路进行电压转换得到。

在一具体实施例中，如图4所示，接收模块2包括：第一接收电感L_N、第二接收电感L_fN、第一接收电容C_N及第二接收电容C_fN，其中，第一接收电感L_N的第一端通过所述第一接收电容C_N分别与第二接收电容C_fN的第一端及第二接收电感L_fN的第一端连接；然后第一接收电感L_N的第二端分别与第二接收电容C_fN的第二端及驱动电路的第一端连接，其中驱动电路的第二端与第二接收电感L_fN的第二端连接。

在一具体实施例中，如图4所示，接收补偿回路311包括：第一电感L_n、第一电容C_n及第二电容C_fn，其中，第一电感L_n的第一端通过第一电容C_n分别与所述第二电容C_fn的第一端及发射补偿电感312的第一端连接；其中第一电感L_n的第二端分别与第二电容C_fn的第二端及驱动电路的第二端连接，然后驱动电路的第二端与发射补偿电感312的第二端连接。

在一具体实施例中，每个中继单元31的第一电感(L₁～L_n)为接收线圈，第二电感(L_f1～L_fn)为发射线圈，接收线圈接收上一级中继单元31或发射模块1发送的能量，发射线圈将补偿后的能量发送至下一级中继单元31或接收模块2。

为了实现为每个驱动电路提供恒流电能，现定义每个电感电流方向如图4所示，中继单元#1，中继单元#2，…，中继单元#N-1，通过L_f(n-1)和L_n间的磁耦合从它的上一级电路中获取能量，获取到的能量给自身负载(驱动电路)供电的同时通过L_fn和L_n+1间的磁耦合给下一级电路提供能量。驱动电路与相应的补偿线圈L_fn(n＝1，2，…，N)串联。I_n或I_fn(n＝0，1，2，…，N)是流过相应线圈的电流，当它流入线圈的点端时为正。M_n(n＝1，2，…，N)为L_f(n-1)与L_n之间的互感，相应的耦合系数k_n定义为中继单元(n-1)与中继单元(n)之间的耦合系数如式(1)所示：

因此为了实现恒流送能，各级中继单元的谐振条件满足下式(2)：

式中，ω₀表示工作角频率，L_fn表示各级中继单元中的发射补偿电感参数，C_fn表示各级中继单元中的第二电容参数，L_n表示各级中继单元中的第一电感参数，C_n表示各级中继单元中的第一电容参数，其中n＝1,2,3,…,N-1。

考虑到图4中每个电感的寄生电阻对能量的影响，现将图4所示的恒流送能装置电路等效为图5所示的等效电路模型，各级负载R_n(n＝1，2，…，N)代表驱动电路。在理想条件下，线圈自身阻抗很小，可以忽略不计，系统可视为线性电路，因此可采用叠加原理对系统的工作原理进行分析。负载电阻可用值为负载两端电压的电压源V_n(n＝1，2，…，N)代替。叠加原理是将电路分为两部分考虑，分别只有输入电压V₀作用和负载电压V_n作用，等效电路分别如图6和图7所示。I_n,a或I_fn,a(n＝0，1，2，…，N)是只有输入电压V₀作用时流过相应线圈的电流，I_n,b或I_fn,b(n＝0，1，2，…，N)是只有负载电压V_n作用时流过相应线圈的电流。系统的真正输出即为两个电压源作用下系统输出之和。

当只有输入电压V₀作用时，流过线圈的电流可由下式(3)计算得到，

当只有负载电压V_n作用时，流过线圈的电流可由下式(4)计算得到，

当同时考虑输入电压V₀和负载电压V_n的作用时，电路的响应为两种电压独立作用下响应之和，因此可得输入和输出电流为：

通过(5)可知，负载电流只与V₀、ω₀、M_n和L_fn有关，与负载电阻无关。因此驱动送能系统可以获得与负载独立的恒电流输出，可实现大功率传输。

本发明实施例提供的恒流送能装置，中继单元中的补偿回路对接收的电能进行补偿，且中继单元中的电感及电压满足谐振条件，从而实现各驱动电路相互独立的恒压源输出特性，装置不会因为单级驱动电路的波动而影响其它驱动电路供电；补偿回路采用电容和电感谐振，电感线圈形位误差主要影响互感变化，电感变化程度小，根据装置拓扑的特性，形位误差对输出恒压特性影响小，因此装置鲁棒性较强。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种恒流送能装置，其特征在于，包括：发射模块、接收模块及中继模块，其中，发射模块、中继模块及接收模块相互之间依次通过无线耦合的非接触方式连接，发射模块将能量依次发送给中继模块和接收模块；

所述中继模块包括多级中继单元，各级中继单元间通过无线耦合的非接触方式串行连接，各级中继单元和接收模块均连接一个驱动电路；各级中继单元均包括补偿回路，当前中继单元通过其补偿回路对发射模块或上一级中继单元发送的能量进行补偿，以为各个驱动电路提供具有相同电流参数的电能；

当前中继单元的补偿回路包括：接收补偿回路及发射补偿电感，其中，所述接收补偿回路的第一端与发射补偿电感的第一端连接，所述接收补偿回路的第二端与当前中继单元连接的驱动电路的第一端连接，当前中继单元连接的驱动电路的第二端与所述发射补偿电感的第二端连接；

所述接收补偿回路用于接收发射模块发送的电能，或接收上一级中继单元发送的电能，并将接收的电能进行初次补偿后输送至对应的驱动电路；

所述发射补偿电感用于对驱动电路耗能后的电能进行再次补偿，得到与所述发射模块发送的电能具有相同电流参数的电能，并将再次补偿后的电能传输至下一级中继单元或接收模块。

2.根据权利要求1所述的恒流送能装置，其特征在于，

当前中继单元接收其对应的上一级中继单元或者发射模块发送的电能；

当前中继单元利用接收的电能为其所连接驱动电路供电，并将通过驱动电路耗能后的剩余电能补偿至与所述发射模块发送的电能具有相同电流参数的水平，并通过无线耦合的非接触方式将补偿后的电能传输至其对应的下一级中继单元或者接收模块；

接收模块利用接收的电能为其所连接驱动电路供电。

3.根据权利要求1所述的恒流送能装置，其特征在于，所述发射模块包括：高频交流电源、第一发射电容、第二发射电容、第一发射电感及第二发射电感，其中，

所述高频交流电源、第一发射电容及第一发射电感依次串联连接，构成串联回路；

所述串联回路、第二发射电容及第二发射电感并联连接，构成发射回路。

4.根据权利要求1所述的恒流送能装置，其特征在于，所述接收模块包括：第一接收电感、第二接收电感、第一接收电容及第二接收电容，其中，

所述第一接收电感的第一端通过所述第一接收电容分别与第二接收电容的第一端及第二接收电感的第一端连接；

所述第一接收电感的第二端分别与第二接收电容的第二端及驱动电路的第一端连接，所述驱动电路的第二端与第二接收电感的第二端连接。

5.根据权利要求1所述的恒流送能装置，其特征在于，所述接收补偿回路包括：第一电感、第一电容及第二电容，其中，

所述第一电感的第一端通过第一电容分别与所述第二电容的第一端及发射补偿电感的第一端连接；

所述第一电感的第二端分别与第二电容的第二端及驱动电路的第二端连接，所述驱动电路的第二端与所述发射补偿电感的第二端连接。

6.根据权利要求5所述的恒流送能装置，其特征在于，各级中继单元的谐振条件满足下式：

式中，ω₀表示工作角频率，L_fn表示各级中继单元中的发射补偿电感参数，C_fn表示各级中继单元中的第二电容参数，L_n表示各级中继单元中的第一电感参数，C_n表示各级中继单元中的第一电容参数，其中n＝1,2,3,…,N-1。

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