CN114070064B - 一种功率变换器及其应用系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的功率变换器及其应用系统，应用于电力电子技术领域，该电路功率变换主电路和连通电路，其中，功率变换主电路不具备中点电压平衡功能，且功率变换主电路的中点与连通电路的输出端相连，进一步的，连通电路的输入端接收中点平衡电压。本发明提供的功率变换器中，不具备中点电压平衡功能的功率变换主电路的中点经连通电路接收中点平衡电压，即依靠接收的中点平衡电压实现电位平衡控制，避免功率变换器中的功率元件过压损坏，提高运行安全性。

Description

一种功率变换器及其应用系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种功率变换器及其应用系统。
背景技术
随着电力电子技术的发展，不同类型的功率变换器得到广泛应用。比如，在光伏系统中，SCC(Switched Capacitor Converter，开关电容变换器)变换器的应用场景正在逐步增多，而且，随着光伏系统电压等级的升高，多电平SCC变换器也日益增多。
基于多电平功率变换电路的基本控制原理可知，在多电平功率变换电路应用过程中，需要对其进行电位平衡控制，防止功率变换电路出现电压不均衡的问题，进而避免对功率变换电路中的二极管、开关管等功率元件造成损害，确保功率变换电路的运行稳定性。
然而，在诸如三电平SCC功率变换电路等功率变换电路的实际应用中，由于其自身不具备中点电位平衡功能，导致无法实现电位平衡控制，极易出现因电压不平衡而导致的功率元件过压损坏的问题，影响电路的安全运行。
发明内容
本发明提供一种功率变换器及其应用系统，不具备中点电压平衡功能的功率变换主电路的中点经连通电路接收中点平衡电压，进而实现电位平衡控制，避免功率变换器中的功率元件过压损坏，提高运行安全性。
为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种功率变换器，包括：功率变换主电路和连通电路，其中，
所述功率变换主电路不具备中点电压平衡功能；
所述功率变换主电路的中点与所述连通电路的输出端相连；
所述连通电路的输入端接收中点平衡电压。
可选的，所述连通电路的输入端与中点平衡变换器的母线中点相连；
所述中点平衡变换器具备中点电压平衡功能，并输出所述中点平衡电压。
可选的，所述连通电路包括至少一条连通支路，其中，
各所述连通支路的输出端作为所述连通电路的输出端；
各所述连通支路的输入端作为所述连通电路的输入端；
在同一时刻，各所述连通支路中仅有一条所述连通支路处于导通状态。
可选的，在所述连通电路包括一条所述连通支路的情况下，所述连通支路包括：连接导线，或者，串联连接的连接导线和可控开关；
在所述连通电路包括多条所述连通支路的情况下，所述连通支路包括：串联连接的连接导线和可控开关。
可选的，所述功率变换主电路包括：N电平SCC功率变换电路，其中，N≥3。
可选的，本发明第一方面提供的功率变换器，还包括：第一控制器，其中，
所述第一控制器分别与所述功率变换主电路以及各所述连通支路的控制端相连。
第二方面，本发明提供一种功率变换系统，包括：中点平衡变换器和本发明第一方面任一项所述的功率变换器，其中，
所述中点平衡变换器具备中点电压平衡功能；
所述功率变换器的连通电路的输入端与所述中点平衡变换器的母线中点相连，接收所述中点平衡变换器输出的中点平衡电压。
可选的，所述中点平衡变换器包括M电平BOOST变换器和L电平NPC变换器中的至少一种；
其中，M≥3，L≥3。
可选的，在所述中点平衡变换器包括所述M电平BOOST变换器的情况下：
所述功率变换器的正极输入端与所述M电平BOOST变换器的正极输出端相连；
所述功率变换器的负极输入端与所述M电平BOOST变换器的负极输出端相连；
在所述中点平衡变换器包括所述M电平BOOST电路和所述L电平NPC变换器的情况下：
所述功率变换器的正极输入端和所述L电平NPC变换器的正极输入端分别与所述M电平BOOST变换器的正极输出端相连；
所述功率变换器的负极输入端和所述L电平NPC变换器的负极输入端分别与所述M电平BOOST变换器的负极输出端相连。
可选的，所述M电平BOOST变换器包括M电平BOOST变换电路和第二控制器；
所述第二控制器与所述M电平BOOST变换电路的控制端相连；
所述L电平NPC变换器包括L电平NPC变换电路和第三控制器；
所述第三控制器与所述L电平NPC变换电路的控制端相连。
可选的，所述第二控制器和所述第三控制器与所述功率变换器中的第一控制器集成设置。
第三方面，本发明提供一种光伏系统，包括：光伏组件和本发明第二方面任一项所述的功率变换系统，其中，
所述光伏组件的输出端与所述功率变换系统的输入端相连；
所述功率变换系统的输出端与交流电网相连。
本发明提供的功率变换器，包括功率变换主电路和连通电路，其中，功率变换主电路不具备中点电压平衡功能，且功率变换主电路的中点与连通电路的输出端相连，进一步的，连通电路的输入端接收中点平衡电压。本发明提供的功率变换器中，不具备中点电压平衡功能的功率变换主电路的中点经连通电路接收中点平衡电压，即依靠接收的中点平衡电压实现电位平衡控制，避免功率变换器中的功率元件过压损坏，提高运行安全性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术内的技术方案，下面将对实施例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，下面描述内的附图仅仅是本发明的一些实施例，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1a是现有技术中三电平SCC变换电路正半母线电容充电路径示意图；
图1b是现有技术中三电平SCC变换电路负半母线电容充电路径示意图；
图2是本发明实施例提供的一种功率变换器的结构框图；
图3是本发明实施例提供的另一种功率变换器的结构框图；
图4是本发明实施例提供的再一种功率变换器的结构框图；
图5是本发明实施例提供的一种功率变换系统的结构框图；
图6是本发明实施例提供的另一种功率变换系统的结构框图；
图7是本发明实施例提供的再一种功率变换系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1a和图1b，其中，图1a所示虚线示出现有技术中三电平SCC变换电路中的正半母线电容的充电路径，相应的，图1b所示虚线示出现有技术中三电平SCC变换电路的负半母线电容的充电路径。在实际应用中，三电平SCC变换电路工作于完全软开关状态或准软开关状态，其自身流过的关断电流非常小，这就导致三电平SCC变换电路的中点平衡能力非常弱。当然，其他五电平SCC变换电路或者七电平SCC变换电路，以及其他结构类似的功率变换电路都具备这一问题。
基于上述内容，参见图2，图2是本发明实施例提供的一种功率变换器的结构框图，本实施例提供的功率变换器，包括：功率变换主电路和连通电路，其中，
功率变换主电路为不具备中点电压平衡功能的功率变换电路，结合前述内容，本实施例以及后续各个实施例中述及的功率变换主电路均可以是实际应用中的N电平SCC功率变换电路，其中，N≥3，当然，还可以是其他不具备中点电压平衡功能或者中点电压平衡功能非常弱的功率变换电路。
至于功率变换主电路的具体电路拓扑，可以基于现有技术实现，本发明对此不做限定。
进一步的，功率变换主电路的中点引出，并与连通电路的输出端相连，而连通电路的输入端用于接收中点平衡电压，可以想到的是，此处述及的中点平衡电压指用于调节功率变换主电路电位平衡的调节电压。
可选的，该中点平衡电压可以由具备中点电压平衡功能的功率变换器输出，本发明将具备中点电压平衡功能的功率变换器定义为中点平衡变换器。前述连通电路的输入端直接与中点平衡变换器的母线中点相连，即可接收中点平衡变换器的中点平衡电压。
综上所述，本发明提供的功率变换器中，不具备中点电压平衡功能的功率变换主电路的中点经连通电路接收中点平衡电压，即依靠接收的中点平衡电压实现电位平衡控制，避免功率变换器中的功率元件过压损坏，提高运行安全性。
可选的，参见图3，图3是本发明实施例提供的另一种功率变换电路的结构框图，在图2所示实施例的基础上，本实施例给出连通电路的具体构成。
如图3所示，连通电路包括至少一路连通支路(图3中以3路连通支路示出)，在具体连接关系上，各连通支路的输出端作为连通电路的输出端，分比与功率变换主电路的中点相连，各连通支路的输入端则作为连通电路的输入端，接收中点平衡电压。
可以理解的是，为了避免功率变换器之间的耦合和相互干扰，特别是在中点平衡电压可能来自于不同的中点平衡变换器的情况下，在同一时刻，各连通支路中仅有一条连通支路处于导通状态，即后级的功率变换主电路只能得到唯一的中点平衡电压，不可能同时接收到来自于不同中点平衡变换器的中点平衡电压。
基于上述前提，在连通电路只包括一条连通支路的情况下，连通支路可以选用连接导线实现，即直接短接中点平衡变换器的中点和功率变换主电路的中点；除此之外，连通支路还可以由串联连接的连接导线和可控开关构成，通过可控开关的闭合和分断，可以对中点平衡变换器与功率变换主电路之间的连通状态进行控制。
进一步的，在连通电路包括多条连通支路的情况下，任一条连通支路则只能由串联连接的连接导线和可控开关构成。通过控制其中一个可控开关闭合，实现相应连通支路的导通，进而保证功率变换主电路只能从多路连通支路中的一路获取中点平衡电压，进而实现变换器之间的结构，避免相互干扰。
可选的，如图4所示，在上述任一实施例提供的功率变换器的基础上，本实施例提供的功率变换器还包括第一控制器，第一控制器分别与功率变换主电路以及各连通支路的控制端相连(图4中以虚线示出连通关系)。
第一控制器主要用于对功率变换器中的功率变换主电路的工作过程进行控制，进一步的，在连通支路包括可控开关的情况下，第一控制器还用于控制相应可控开关的导通状态。可以理解的是，在连通支路基于连接导线实现的情况下，第一控制器与连接导线相连，可以采集连接导线的电位，进而根据所得电位获知中点电压平衡的控制情况。
可选的，参见图5，图5是本发明实施例提供的一种功率变换系统的结构框图，本发明实施例提供的功率变换系统包括中点平衡变换器和上述任一实施例提供的功率变换器，其中，
如前所述，中点平衡变换器是具备中点电压平衡功能的功率变换器，前述实施例提供的功率变换器的连通电路的输入端与中点平衡变换器的母线中点相连，接收中点平衡变换器输出的中点平衡电压。
进一步的，中点平衡变换器的正极输出端与功率变换器的正极输入端相连，中点平衡变换器的负极输出端与功率变换器的负极输入端相连，二者配合还可以实现电功率的二次变换。
可选的，在实际应用中，中点平衡变换器包括M电平BOOST变换器和L电平NPC变换器中的至少一种，其中，M≥3，L≥3。
本发明实施例提供得功率变换系统，同时设置有具备中点电压平衡功能的中点平衡变换器和不具备中点电压平衡功能的功率变换器，通过中点平衡变换器输出的中点平衡电压实现对功率变换器的中点电位调节，可以在最低限度增加系统成本(仅为连通电路的成本)的情况下，提高系统整体的电位平衡能力，有助于确保系统的运行安全性和稳定性。
可选的，在图5所示实施例的基础上，图6给出一种更为具体的功率变换系统的构成方式，在图6所示实施例中，中点平衡变换器选用M电平BOOST变换器(比如三电平BOOST变换器)实现，功率变换主电路的正极输入端作为功率变换器的正极输入端，与M电平BOOST变换器的正极输出端相连，功率变换主电路的负极输入端作为功率变换器的负极输入端，与M电平BOOST变换器的负极输出端相连，更为重要的是，功率变换器的连通电路的输入端与M电平BOOST变换器的母线中点相连，接收M电平BOOST变换器输出的中点平衡电压。
需要说明的是，在图6所示实施例中，连通电路只包括一路连通支路，且该连通支路是基于连接导线实现的。
进一步的，如图7所示，中点平衡变换器包括M电平BOOST电路和L电平NPC变换器，当然，在实际应用中，M和L的取值是相同的。功率变换器的正极输入端(即图7中所示的功率变换主电路的正极输入端)和L电平NPC变换器的正极输入端分别与M电平BOOST变换器的正极输出端相连；相应的，功率变换器的负极输入端(即图7中所示的功率变换电路的负极输入端)和L电平NPC变换器的负极输入端分别与M电平BOOST变换器的负极输出端相连。
在本实施例中，连通电路包括两路连通支路，且各连通支路都是由串联连接的可控开关和连接导线构成的。具体的，M电平BOOST电路的中点与可控开关K1的一端相连，可控开关K1的另一端经连接导线功率变换主电路的中点相连。L电平NPC变换器的中点与可控开关K2的一端相连，可控开关K2的另一端则经连接导线与功率变换主电路的中点相连。
结合前述内容可知，在同一时刻，K1和K2只能有一个处于闭合状态，而在实际应用中，为了进一步降低成本，可以直接将功率变换主电路的中点通过连接导线与M电平BOOST电路和L电平NPC变换器二者之一的中点相连即可，不再设置可控开关K1和K2。
可选的，在上述任一实施例中，M电平BOOST变换器包括M电平BOOST变换电路和第二控制器，该第二控制器与M电平BOOST变换电路的控制端相连，控制M电平BOOST变换电路的工作过程。L电平NPC变换器包括L电平NPC变换电路和第三控制器，该第三控制器与L电平NPC变换电路的控制端相连，控制L电平NPC变换电路的工作过程。
可选的，为了进一步降低系统成本，还可将第二控制器和第三控制器与功率变换器中的第一控制器集成设置，提高系统的集成率，甚至将三者的控制功能由一个控制器实现。
可选的，本发明还提供一种光伏系统，包括：光伏组件和上述任一项实施例提供的的功率变换系统，其中，
所述光伏组件的输出端与所述功率变换系统的输入端相连；
所述功率变换系统的输出端与交流电网相连。
需要说明的是，本文使用的术语“包括”及其变形是开放性包括，即“包括但不限于”。术语“基于”是“至少部分地基于”。术语“一个实施例”表示“至少一个实施例”；术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”；术语“一些实施例”表示“至少一些实施例”。其他术语的相关定义将在下文描述中给出。
需要注意，本公开中提及的“第一”、“第二”等概念仅用于对不同的装置、模块或单元进行区分，并非用于限定这些装置、模块或单元所执行的功能的顺序或者相互依存关系。
需要注意，本公开中提及的“一个”、“多个”的修饰是示意性而非限制性的，本领域技术人员应当理解，除非在上下文另有明确指出，否则应该理解为“一个或多个”。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的核心思想或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种功率变换器，其特征在于，包括：功率变换主电路和连通电路，其中，
所述功率变换主电路不具备中点电压平衡功能；
所述功率变换主电路的中点与所述连通电路的输出端相连；
所述连通电路的输入端接收中点平衡电压；
所述连通电路包括至少一条连通支路，其中，
各所述连通支路的输出端作为所述连通电路的输出端；
各所述连通支路的输入端作为所述连通电路的输入端；
在同一时刻，各所述连通支路中仅有一条所述连通支路处于导通状态。
2.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述连通电路的输入端与中点平衡变换器的母线中点相连；
所述中点平衡变换器具备中点电压平衡功能，并输出所述中点平衡电压。
3.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，在所述连通电路包括一条所述连通支路的情况下，所述连通支路包括：连接导线，或者，串联连接的连接导线和可控开关；
在所述连通电路包括多条所述连通支路的情况下，所述连通支路包括：串联连接的连接导线和可控开关。
4.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，所述功率变换主电路包括：N电平SCC功率变换电路，其中，N≥3。
5.根据权利要求1所述的功率变换器，其特征在于，还包括：第一控制器，其中，
所述第一控制器分别与所述功率变换主电路以及各所述连通支路的控制端相连。
6.一种功率变换系统，其特征在于，包括：中点平衡变换器和权利要求1-5任一项所述的功率变换器，其中，
所述中点平衡变换器具备中点电压平衡功能；
所述功率变换器的连通电路的输入端与所述中点平衡变换器的母线中点相连，接收所述中点平衡变换器输出的中点平衡电压。
7.根据权利要求6所述的功率变换系统，其特征在于，所述中点平衡变换器包括M电平BOOST变换器和L电平NPC变换器中的至少一种；
其中，M≥3，L≥3。
8.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，在所述中点平衡变换器包括所述M电平BOOST变换器的情况下：
所述功率变换器的正极输入端与所述M电平BOOST变换器的正极输出端相连；
所述功率变换器的负极输入端与所述M电平BOOST变换器的负极输出端相连；
在所述中点平衡变换器包括所述M电平BOOST电路和所述L电平NPC变换器的情况下：
所述功率变换器的正极输入端和所述L电平NPC变换器的正极输入端分别与所述M电平BOOST变换器的正极输出端相连；
所述功率变换器的负极输入端和所述L电平NPC变换器的负极输入端分别与所述M电平BOOST变换器的负极输出端相连。
9.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述M电平BOOST变换器包括M电平BOOST变换电路和第二控制器；
所述第二控制器与所述M电平BOOST变换电路的控制端相连；
所述L电平NPC变换器包括L电平NPC变换电路和第三控制器；
所述第三控制器与所述L电平NPC变换电路的控制端相连。
10.根据权利要求9所述的功率变换系统，其特征在于，所述第二控制器和所述第三控制器与所述功率变换器中的第一控制器集成设置。
11.一种光伏系统，其特征在于，包括：光伏组件和权利要求6-10任一项所述的功率变换系统，其中，
所述光伏组件的输出端与所述功率变换系统的输入端相连；
所述功率变换系统的输出端与交流电网相连。
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