CN114512977A - 功率变换系统和控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供一种功率变换系统和控制方法，功率变换系统包括多个功率模块，每个功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口，其中，每个功率模块的第一端口分别与外部设备连接，每个功率模块的第二端口之间相互独立，作为独立端口输出功率，每个功率模块的第三端口并联连接形成一功率总线，并且，每个功率模块的第三端口的功率双向流动。因此，当输出端口的负载不平衡时，通过第三端口并联形成的功率总线实现多个功率模块之间的功率调度，以使每个功率模块通过第一端口输入的功率尽可能的相等，减轻或消除了由于负载不平衡造成的直流链均压的问题。

Description

功率变换系统和控制方法
技术领域
本发明实施例涉及充电技术领域，尤其涉及一种功率变换系统和控制方法。
背景技术
充电站作为为具有不同输入电压、不同功率等级的电动汽车充电的应用场合，其供电架构具有充电效率高、多充电(隔离)端口、充电电压宽范围等要求。
图1为一种基于工频变压器(Line frequency transformer，LFT)的充电站供电架构示意图，如图1所示，采用LFT实现降压以及中压隔离，第一级AC-DC电路为可控整流电路，与第一级AC-DC电路连接的第二级隔离DC-DC电路实现对车载电池的充电以及车与车之间的电气隔离。
然而，工频变压器不仅体积大、笨重，而且空载和轻载时由于励磁损耗，从而导致充电效率较低，因此，基于固态变压器(Solid State Transformer，SST)的供电架构得到越来越多的应用。
图2为一种基于固态变压器(Solid State Transformer，SST)的充电站供电架构示意图，如图2所示，采用公共直流母线架构，SST直接与中压交流电网连接，并提供一公共直流母线，多个隔离DC-DC充电器连接至公共直流母线，以给多台电动汽车同时充电。其中，SST的第一级通常为CHB(Cascade H-Bridge)，即级联H桥，每个H桥后面接高频隔离DC-DC电路，进行中压隔离以及电压变换。SST第二级DC-DC电路输出端并联形成公共直流母线，连接到公共直流母线的多个DC-DC充电器需采用隔离变换拓扑，实现车与车之间的隔离。对于该共直流母线的SST供电架构，虽然利用高频隔离取代工频隔离，可以减小体积重量，但从中压电网至汽车充电端，重复隔离，存在多级变换电路，而变换级数越多，系统的效率越低，同时也增加了成本。
发明内容
本发明实施例提供一种功率变换系统和控制方法，以实现多独立端口高效率充电，并克服独立端口的功率不平衡造成的直流链不平衡的问题。
第一方面，本发明实施例提供一种功率变换系统，包括：
第一功率模块和第二功率模块，其中，每个功率模块均包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和第二功率模块的第一端口彼此串联后与外部设备电连接。
在一些可能的实施例中，当所述第一功率模块的第二端口的功率和所述第二功率模块的第二端口的功率不相等时，所述第一功率模块的第三端口和所述第二功率模块的第三端口通过所述功率总线交换功率，使得所述第一功率模块的第一端口的功率和所述第二功率模块的第一端口的功率趋于相等。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块的所述第二端口和所述第二功率模块的第二端口分别输出功率，当所述第一功率模块的第二端口输出的功率小于所述第二功率模块的第二端口输出的功率时，所述第一功率模块的第一端口的至少部分输入功率传递至所述第一功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第二功率模块的第三端口，最后传递至所述第二功率模块的第二端口，使得所述第一功率模块的第一端口的输入功率和所述第二功率模块的第一端口的输入功率趋于相等。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块的第二端口和所述第二功率模块的所述第二端口分别输入功率，当所述第一功率模块的第二端口的输入功率小于所述第二功率模块的第二端口的输入功率时，所述第二功率模块的第二端口的至少部分输入功率传递至所述第二功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第一功率模块的第三端口，最后传递至所述第一功率模块的第一端口，使得所述第一功率模块的第一端口的输出功率和所述第二功率模块的第一端口的输出功率趋于相等。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块的第二端口用于输出功率，所述第二功率模块的第二端口用于输入功率时，所述第二功率模块的第二端口的至少部分输入功率传递至所述第二功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第一功率模块的第三端口，最后传递至所述第一功率模块的第二端口，使得所述第一功率模块的第一端口的功率和所述第二功率模块的第一端口的功率趋于相等。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块，所述第一功率子模块包括第一端，第二端，第三端，所述第一端口电气连接所述第一功率子模块的第一端，所述第二端口电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第三端口电气连接所述第一功率子模块的第三端，其中，所述第一功率子模块的第一端和第二端为直流端。
在一些可能的实施例中，所述第一功率子模块包括第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第一DC-DC变换电路的第一端、所述第二DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第一DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第二DC-DC变换电路的第二端连接所述第一功率子模块的第三端。
在一些可能的实施例中，所述第一DC-DC变换电路和所述第二DC-DC变换电路的开关频率不同。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块还包括第三DC-DC变换电路和第四DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第二端通过第三DC-DC变换电路电气连接所述第二端口，所述第一功率子模块的第三端通过第四DC-DC变换电路电气连接所述第三端口。
在一些可能的实施例中，所述第一功率子模块包括多绕组变压器，所述多绕组变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述第一功率子模块的第一端通过一逆变电路与所述原边绕组电气连接，所述第一副边绕组通过一第一整流电路与所述第一功率子模块的第二端电气连接，所述第二副边绕组与所述第一功率子模块的第三端电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第二副边绕组直接与所述第一功率子模块的第三端电气连接，且直接与所述第三端口电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第二副边绕组通过第二整流电路与第一功率子模块的第三端电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括一第五DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第三端通过所述第五DC-DC变换电路与所述第三端口电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括一第六DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第二端通过所述第六DC-DC变换电路与所述第二端口电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第一副边绕组通过第一阻抗调节电路、所述第一整流电路与所述第一功率子模块的第二端电气连接；和/或，
所述第二副边绕组通过第二阻抗调节电路与所述第一功率子模块的第三端电气连接。
在一些可能的实施例中，所述原边绕组通过第三阻抗调节电路、所述逆变电路与所述第一功率子模块的第一端电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第一阻抗调节电路包括第一电容；或者，
所述第一阻抗调节电路包括第二电容和第一电感，所述第二电容和第一电感串联；
所述第二阻抗调节电路包括第三电容；或者，
所述第二阻抗调节电路包括第四电容和第二电感，所述第四电容和第二电感串联。
在一些可能的实施例中，所述第三阻抗调节电路包括第五电容；或者，
所述第三阻抗调节电路包括第六电容和第三电感，所述第六电容和第三电感串联。
在一些可能的实施例中，所述第一功率子模块包括第八DC-DC变换电路和第九DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第八DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第八DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第九DC-DC变换电路的第一端与所述第八DC-DC变换电路的第二端电气连接，所述第九DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第三端。
在一些可能的实施例中，所述第一功率子模块包括第十DC-DC变换电路和第一DC-AC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第十DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第十DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第一DC-AC变换电路的第一端与所述第一功率子模块的第一端电气连接，所述第一DC-AC变换电路包括变压器，所述变压器的副边绕组电气连接所述第一功率子模块的第三端。
在一些可能的实施例中，所述第一功率子模块包括第十一DC-DC变换电路和第二DC-AC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第十一DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第十一DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第二DC-AC变换电路的第一端与所述第一功率子模块的第二端电气连接，所述第二DC-AC变换电路包括变压器，所述变压器的副边绕组电气连接所述第一功率子模块的第三端。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第二功率子模块，所述第一功率子模块的第一端通过所述第二功率子模块与所述第一端口电气连接。
在一些可能的实施例中，所述第二功率子模块为一AC-DC变换电路或者第七DC-DC变换电路。
第二方面，本发明实施例提供一种三相功率变换系统，每相包括如第一方面任一项所述的功率变换系统；其中，所述第一端口为交流端口，所述三相功率变换系统为角接、星接、三相三线或三相四线系统。
在一些可能的实施例中，至少三个功率变换系统中的第一功率模块的第二端口并联连接，其中，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第一相功率变换系统，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第二相功率变换系统，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第三相功率变换系统。
在一些可能的实施例中，所述至少三个功率变换系统中的第二功率模块的第二端口并联连接。
在一些可能的实施例中，所述三相功率变换系统中的每相功率变换系统的功率总线并联连接。
第三方面，本发明实施例提供一种功率变换系统的控制方法，
所述功率变换系统包括第一功率模块和第二功率模块，其中，每个所述功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动，所述控制方法包括：
计算所有功率模块的所述第三端口及所有功率模块的所述第二端口的功率的平均功率；
根据所述平均功率和每个功率模块的所述第二端口的功率计算所述每个功率模块的所述第三端口的功率指令；
根据所述每个功率模块的所述第三端口的功率指令控制各功率模块的第三端口的功率。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块和第二功率子模块，所述第二功率子模块的第一端与所述第一端口电气连接，所述第二功率子模块的第二端通过直流链与所述第一功率子模块电气连接，所述第二功率子模块对所述直流链进行均压控制。
在一些可能的实施例中，当所述第三端口的功率大于额定功率时，对所述功率指令进行限幅。
第四方面，本发明实施例提供一种功率变换系统的控制方法，
所述功率变换系统包括第一功率模块和第二功率模块，其中，每个所述功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动，每个所述功率模块包括直流链，所述控制方法包括：
计算所有功率模块的直流链电压的平均值；
根据所述直流链电压的平均值、所述第三端口的输出电压给定值及每个功率模块的直流链电压值计算所述每个第三端口的输出电压指令；
根据所述每个功率模块的所述第三端口的输出电压指令控制所述每个功率模块的第三端口的电压。
在一些可能的实施例中，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块和第二功率子模块，所述第二功率子模块的第一端与所述第一端口电气连接，所述第二功率子模块的第二端通过所述直流链与所述第一功率子模块电气连接，所述第二功率子模块对所述直流链进行均压控制。
在一些可能的实施例中，当所述第三端口的功率大于额定功率时，对所述功率指令进行限幅。
本发明实施例提供一种功率变换系统和控制方法，功率变换系统包括多个功率模块，每个功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口，其中，每个功率模块的第一端口分别与外部设备连接，每个功率模块的第二端口之间相互独立，作为独立端口输入或输出功率，每个功率模块的第三端口之间彼此并联后形成一功率总线，并且，每个功率模块的第三端口的功率双向流动。因此，当第二端口之间的功率不平衡时，通过第三端口并联形成的功率总线实现多个功率模块之间的功率调度，以使每个功率模块第一端口的功率趋于相等，从而满足第二端口的不同功率需求，并减轻或消除了因此造成的直流链均压问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为一种基于工频变压器的充电站供电架构示意图；
图2为一种基于固态变压器共直流母线的充电站供电架构示意图；
图3为本申请示出的一种基于多端口SST的充电站供电架构示意图；
图4为本申请一实施例提供的功率变换系统的结构示意图
图5为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图6为本申请一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图7为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图8为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图9a为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图；
图9b为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图；
图10a为由图9a所示的功率模块构成的功率变换系统的结构示意图；
图10b为由图9b所示的功率模块构成的功率变换系统的结构示意图；
图11a为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图11b为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图11c为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图12为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图13为本申请另一实施例示出的功率变换系统的结构示意图；
图14为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图15为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图16为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图17为本申请一实施例提供的第一功率子模块的结构示意图；
图18为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图19为本申请另一实施例提供的第一功率子模块的结构示意图；
图20为本申请另一实施例提供的第一功率子模块的结构示意图；
图21为本申请另一实施例提供的第一功率子模块的结构示意图；
图22为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图23为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图24为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图25为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图26为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图27为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图；
图28为本申请一实施例示出的三相功率变换系统的结构示意图；
图29为本申请另一实施例示出的三相功率变换系统的结构示意图；
图30为本申请一实施例提供的功率变换系统的控制方法的流程图；
图31为本申请另一实施例提供的功率变换系统的控制方法的流程图；
图32为本申请另一实施例提供的功率变换系统的控制方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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，都属于本发明保护的范围。
根据SST的结构可知，SST第二级DC-DC电路之间本身就是相互隔离的，从而可以形成隔离多充电端口，满足不同电动汽车同时充电的需求。图3为本申请示出的一种基于多端口SST的充电站供电架构示意图。如图3所示，从交流中压电网到车只需经过一次隔离，极大的精简了整个供电架构，可以同时提高系统效率、降低系统成本。
但是，由于不同的电动汽车，其充电时的输入电压、功率等级不同，因此，具有不同输入电压以及不同功率等级的多辆电动汽车在同一充电站的不同充电端口同时充电时，会导致不同的充电端口为各电动汽车输出的功率不同，不同充电端口根据需求从供电电源获得的输入功率不同，从而造成直流链均压问题。另外，各充电端口需要独立调节其端口电压，以应对各电动汽车输入电压的不同，而且该输入电压通常在一个较宽的范围变化。
为解决上述问题，在本申请的一个实施例中，SST中的每个Cell包括第一级AC-DC电路与第二级DC-DC电路，并且，第二级DC-DC电路为高频隔离电路，第二级DC-DC电路的输出用于电动汽车充电。那么，可以将每个Cell的第二级DC-DC电路设计为包含至少两路的多路输出。例如，每个Cell的第二级电路包括两个DC-DC电路，使其中一路输出用于与其他Cell中的其中一路输出并联，形成一功率总线，可兼做并联端口，其他路输出作为独立端口。其中，用来形成并联输出端口的每个Cell中的其中一路输出，其功率可以双向流动。这样，当多个独立端口之间的功率不平衡引起直流链均压问题时，可以通过并联端口进行Cell间的功率调度，减轻或者消除直流链均压问题。
图4为本申请一实施例提供的功率变换系统的结构示意图。本实施例的功率变换系统包括N个功率模块，N为大于或等于2的正整数，其中，N个功率模块在输入侧串联。
在N个功率模块中，每个功率模块均包含第一端口、第二端口以及第三端口。
可选的，如图4所示，N个功率模块的第一端口彼此独立，每个功率模块通过该功率模块的第一端口与外部设备电连接。其中，外部设备例如可以是PV阵列、储能设备、电网等。
可选的，如图5所示，N个功率模块的第一端口彼此串联，可选的，N个功率模块的第一端口彼此串联后与同一外部设备连接。其中，外部设备以供电电源为例说明，供电电源可以是交流电源，例如，N个功率模块的第一端口彼此串联后与一中压三相交流输入的A相、B相、C相中的任一相连接，也可以是直流电源。
N个功率模块中的每个功率模块的第二端口之间相互独立输出。N个功率模块中的每个功率模块的第三端口彼此并联从而形成一功率总线，并且，每个功率模块的第三端口中的功率双向流动。
下面，以功率变换系统包含两个功率模块为例进行说明。
如图4所示，功率变换系统包括第一功率模块410和第二功率模块420，每个功率模块均包含第一端口110、第二端口120以及第三端口130。第一功率模块410通过第一功率模块410的第一端口110与第一外部设备(图4中第一外部设备为PV阵列)连接，第二功率模块420通过第二功率模块420的第一端口110与第二外部设备(图4中第二外部设备为PV阵列)连接。需要说明的是，第一外部设备和第二外部设备可以为不同的设备，例如，图4中的两个PV阵列输入的功率不同，或者，N个功率模块的第一端口彼此串联后与同一外部设备连接，例如图5所示的实施例。
第一功率模块410的第二端口120和第二功率模块420的第二端口120分别作为独立输出端口单独输出。
第一功率模块410的第三端口130和第二功率模块420的第三端口130并联形成功率总线。并且，如图4所示，每个功率模块的第三端口130处的功率双向流动，即功率既可以通过第一功率模块410的第三端口130流入第一功率模块410，也可以通过第一功率模块410的第三端口130流出第一功率模块410。同样的，功率既可以通过第二功率模块420的第三端口130流入第二功率模块420，也可以通过第二功率模块420的第三端口130流出第二功率模块420。
图4为功率模块的第一端口分别输入时的实施例，其应用在家用太阳能供电场合，以并联端口接储能电池为例说明。
不失一般性，当第一功率模块的第一端口输入的PV阵列的功率大于其第二端口的负载功率时，多余的功率通过其第三端口流入功率总线。
当第二功率模块的第一端口输入的PV阵列的功率小于其第二端口的负载功率时，不够的功率通过其第三端口从功率总线获取。当功率变换系统总的PV阵列的功率大于总的负载功率时，将对储能电池进行充电，当系统总的PV功率小于总的负载功率时，将对储能电池进行放电。
如图5所示，功率变换系统包括第一功率模块510和第二功率模块520，每个功率模块均包含第一端口110、第二端口120以及第三端口130。其中，对于每个功率模块，第一端口110作为该功率模块的功率输入端口，第二端口120和第三端口130作为该功率模块的功率输出端口。
如图5所示，第一功率模块510的第一端口110和第二功率模块520的第一端口110彼此串联后与供电电源电连接。
第一功率模块510的第二端口120和第二功率模块520的第二端口120分别作为独立输出端口单独输出。
第一功率模块510的第三端口130和第二功率模块520的第三端口130并联形成功率总线。并且，如图5所示，每个功率模块的第三端口130处的功率双向流动，即功率既可以通过第一功率模块510的第三端口130流入第一功率模块510，也可以通过第一功率模块510的第三端口130流出第一功率模块510。同样的，功率既可以通过第二功率模块520的第三端口130流入第二功率模块520，也可以通过第二功率模块520的第三端口130流出第二功率模块520。
在图4和图5所示的实施例中，当输出端口的负载不平衡时，通过第三端口130并联形成的功率总线实现多个功率模块之间的功率调度，以使每个功率模块通过第一端口110输入的功率尽可能的相等，在此情况下满足不同负载对功率的需求。
其中，本申请以下实施例以所有功率模块的第一端口彼此串联后与外部设备为例进行说明。
在图5所示实施例的基础上，图6为本申请一实施例提供的功率模块的结构示意图。如图6所示，每个功率模块均包括第一功率子模块610。其中，在每个功率模块中，第一功率子模块610的第一端611与第一端口110电连接，第一功率子模块610的第二端612与第二端口120电连接，第一功率子模块610的第三端613与第三端口130电连接。并且，功率在第一功率子模块610的第三端613处可以双向流动。
图7为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图。如图7所示，在图6所示实施例的基础上，第一功率子模块610包括第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路，第一功率子模块610的第一端611与第一DC-DC变换电路的第一端、第二DC-DC变换电路的第一端电气连接，第一DC-DC变换电路的第二端与第一功率子模块610的第二端612电气连接，第二DC-DC变换电路的第二端与第一功率子模块610的第三端613电气连接。
需要说明的是，对于图7所示的功率模块，每个功率模块的第一端口110可直接与直流电源连接，此时，第一DC-DC变换电路的第一端、第二DC-DC变换电路的第一端直接与直流电源连接。每个功率模块的第一端口110输入端形成一直流链。
图8为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图。如图8所示，在图6和/或图7所示实施例的基础上，每个功率模块还包括第二功率子模块620。其中，在每个功率模块中，第二功率子模块620的第一端621与第一端口110连接，第二功率子模块620的第二端622与第一功率子模块610的第一端611连接，也形成一直流链。
其中，第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路彼此之间没有耦合，相互独立，例如以不同的开关频率运行。由于两者的第一端连接直流链，且直流链通常设置有较大的储能电容，所以其中一路DC-DC电路第二端功率突变时，对另一DC-DC电路影响较小。第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路输出电压灵活可调，既可以升压也可以降压，两路输出电压之间不会相互限制。且第三端口并联直接形成一大功率输出端口，满足输出功率多样性的需求。同时独立端口容易扩展，直接在直流链再连接一DC-DC变换电路即可。
图9a为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图，图9b为本申请另一实施例提供的功率模块的结构示意图。在图8所示实施例的基础上，如图9a所示，第二功率子模块620包括一AC-DC变换电路，
对于图9a所示的实施例，AC-DC变换电路的第一端与第一端621连接，AC-DC变换电路的第二端与第二端622连接。
或者，如图9b所示，第二功率子模块620包括第七DC-DC变换电路。
对于图9b所示的实施例，第七DC-DC变换电路的第一端与第一端621连接，第七DC-DC变换电路的第二端与第二端622连接。
其中，第二功率子模块620包括AC-DC变换电路时，每个功率模块的第一端口110可与交流电源连接。第二功率子模块620包括第七DC-DC变换电路时，每个功率模块的第一端口110可直接与直流电源连接。
图10a为由图9a所示的功率模块构成的功率变换系统的结构示意图。图10b为由图9b所示的功率模块构成的功率变换系统的结构示意图。其中，图10a所示的功率变换系统中，第一端口可与交流电源连接，图10b所示的功率变换系统中，第一端口与直流电源连接。
以图10a所示的功率变换系统为例进行说明。
如图10a所示，第一功率模块510和第二功率模块520均包括AC-DC变换电路、第一DC-DC变换电路以及第二DC-DC变换电路。第一功率模块510的AC-DC变换电路和第二功率模块520的AC-DC变换电路串联后与供电电源连接。第一功率模块510的第一DC-DC变换电路的输出和第二功率模块520的第一DC-DC变换电路的输出均为独立端口。第一功率模块510的第二DC-DC变换电路的输出和第二功率模块520的第二DC-DC变换电路的输出并联形成功率总线。其中，如图10a所示，功率总线既用于功率调度，也设置有一并联输出端口以与负载连接；或者功率总线只用于功率调度，此时，功率总线没有并联输出端口。
下面，以图11a-图11c为例，对功率变换系统的功率调度进行说明。
实施例1：如图11a所示，功率变换系统包括N个功率模块，电动汽车通过第i个功率模块的独立输出端口对应的充电端口充电，其他功率模块的独立输出端口以及并联输出端口没有负载时，就导致负载不平衡，造成直流链均压问题。
此时，对于本实施例示出的功率变换系统，N个功率模块通过第一端口均从供电电源获得输入功率。第i个功率模块的输入功率通过第一DC-DC变换电路流经第二端口120为电动汽车充电，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经第三端口130流向功率总线，功率总线上的功率通过第i个功率模块的第三端口130流向第i个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后通过第一DC-DC变换电路流经第二端口120为电动汽车充电。这样，即使功率变换系统负载不平衡，由于每个功率模块中的第三端口130处功率可以双向流动，使得功率变换系统进行功率调度，从而也可以使得每个功率模块从供电电源获得的输入功率趋于相等。
实施例2：如图11b所示，功率变换系统包括N个功率模块，第j个功率模块的独立输出端口对应的充电端口为电动汽车1充电，并联端口对应的充电端口为电动汽车2充电，其他功率模块的独立输出端口没有负载时，就导致负载不平衡，造成直流链均压问题。本实施例分为以下几种情况：
第一种情况：通过第j个功率模块的第一端口为电动汽车1提供的功率不能满足充电需求，此时，第j个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车1充电，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经第三端口流向功率总线。此时，功率总线上的功率不仅通过并联输出端口为电动汽车2充电，还通过第j个功率模块的第三端口流向第j个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后汇合该功率模块的输入功率，通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车1充电。
第二种情况：通过第j个功率模块的第一端口为电动汽车1提供的功率刚好满足充电需求，此时，第j个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车1充电，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经各自的第三端口流向功率总线。此时，功率总线上的功率仅用于通过并联输出端口为电动汽车2充电。
第三种情况：通过第j个功率模块的第一端口为电动汽车1提供的功率大于电动汽车1的充电需求，此时，第j个功率模块的输入功率不仅用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车1充电，还通过第二DC-DC变换电路流经第三端口流向功率总线，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经各自的第三端口流向功率总线。此时，功率总线上的功率仅用于通过并联输出端口为电动汽车2充电。
实施例3：如图11c所示，功率变换系统包括N个功率模块，第u个功率模块的独立输出端口对应的充电端口为电动汽车3充电，第v个功率模块的独立输出端口对应的充电端口为电动汽车4充电，其他功率模块的独立输出端口以及并联输出端口没有负载时，就导致负载不平衡，造成直流链均压问题。本实施例分为以下几种情况：
第一种情况：两个功率模块中的其中一个功率模块的第一端口为电动汽车提供的功率不能满足充电需求，另外一个功率模块的第一端口为电动汽车提供的功率刚好满足充电需求。
例如，通过第u个功率模块的第一端口为电动汽车3提供的功率不能满足充电需求。此时，第u个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电，第v个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车4充电，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经各自的第三端口流向功率总线。此时，功率总线上的功率通过第u个功率模块的第三端口流向第u个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后流经第u个功率模块的第二DC-DC变换电路后，汇合该功率模块的输入功率，通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电。
第二种情况：两个功率模块中的其中一个功率模块通过第一端口为电动汽车提供的功率不能满足充电需求，另外一个功率模块通过第一端口为电动汽车提供的功率大于充电需求。
例如，通过第u个功率模块的第一端口为电动汽车3提供的功率不能满足充电需求。此时，第u个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电，第v个功率模块的输入功率不仅用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车4充电，还通过第二DC-DC变换电路流经第三端口流向功率总线，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经各自的第三端口流向功率总线。此时，功率总线上的功率通过第u个功率模块的第三端口流向第u个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后流经第u个功率模块的第二DC-DC变换电路后，汇合该功率模块的输入功率，通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电。
第三种情况：两个功率模块通过第一端口各自为电动汽车提供的功率均不能满足充电需求。此时，第u个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电，第v个功率模块的输入功率只用于通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车4充电，其他功率模块获得的输入功率通过第二DC-DC变换电路流经第三端口流向功率总线。
此时，功率总线上的部分功率通过第u个功率模块的第三端口流向第u个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后流经第u个功率模块的第二DC-DC变换电路后，汇合该功率模块的输入功率，通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车3充电，满足电动汽车3的充电需求。剩余功率通过第v个功率模块的第三端口流向第v个功率模块的第二DC-DC变换电路，然后流经第v个功率模块的第二DC-DC变换电路后，汇合该功率模块的输入功率，通过第一DC-DC变换电路流经第二端口为电动汽车4充电，满足电动汽车4的充电需求。
以上实施例的功率变换系统虽然存在负载不平衡问题，但是，由于每个功率模块中的第三端口130处的功率可以双向流动，使得功率变换系统进行功率调度，从而使得每个功率模块从供电电源获得的输入功率尽可能的相等。
图11a-图11c示出的是功率变换系统应用于类似于充电站的场景，此时，功率变换系统为外部提供功率，负载不平衡是由于充电端口处接入的充电设备功率不同造成的。另外，基于本申请的发明构思，功率变换系统可应用于与储能结合的场景，例如，储能充电站、光伏电站，也可应用于数据中心、微电网等各种需要储能的场合。下面，以光伏电站为例进行说明。
三相交流电(电网侧)的功率由PV阵列流入，每个Cell接独立的光伏(PV)阵列，各组PV阵列根据光照独立进行分布式最大功率点追踪控制太阳能控制器(maximumpowerpoint tracking，MPPT)控制，从而提高发电量。当有PV阵列损坏时，可以切除该PV阵列，而不影响其他PV阵列的正常工作。可见，与PV阵列连接的端口的输入功率受光照和故障随机性的影响，也存在输入功率(每个PV阵列为电网侧提供的功率)不均衡的现象，从而导致直流链均压问题。
对于图12所示的功率变换系统，各功率模块的第二端口分别与PV阵列连接，各功率模块的第二端口分别用于输入功率，但是，由于光照的影响，或者存在PV阵列故障等因素会导致两个第二端口的输入功率不同，引起两个功率模块的第一端口输出的功率不相等，此时，通过第三端口进行功率调度。
例如，第一功率模块的第二端口的输入功率小于第二功率模块的第二端口的输入功率，即第一功率模块的第二端口连接的PV阵列提供的功率小于第二功率模块的第二端口连接的PV阵列提供的功率。此时，将第二功率模块的第二端口处的输入功率通过第二功率模块的第二端口输入到第二功率模块。其中，该输入功率中的部分功率通过第二功率模块的第三端口流向功率总线，然后功率总线上的功率流向第一功率模块的第三端口进而进入到第一功率模块，与通过第一功率模块的第二端口流入的输入功率汇合后经过第一功率模块的第一端口流入电网侧。这样，通过每个功率模块的第三端口功率可双向流动的特性，将第三端口并联形成功率总线，在功率模块的第一端口的输出功率不相等时，利用功率总线以及每个功率模块的第三端口进行功率模块之间的功率均衡调度，使功率变换系统总的每个功率模块的第一端口的输出功率相等，解决直流链均压问题。
需要说明的是，图12所示的功率变换系统中，当并联输入端口也与PV阵列连接，若出现两个功率模块的第一端口输出的功率不相等，也可以利用功率总线以及每个功率模块的第三端口进行功率模块之间的功率均衡调度，此处不再赘述。
当功率变换系统的独立端口和并联端口中，存在部分端口与外部负载连接，部分端口与发电装置连接时，即功率变换系统中的部分功率模块的第二端口用于向功率模块输入功率，部分功率模块的第二端口用于从功率模块输出功率时，若出现功率模块的直流链不均衡时，也适用于本申请的发明构思，例如图13所示。
图13为本申请另一实施例示出的功率变换系统的结构示意图。如图13所示，两个独立端口中的一个与外部负载连接，则该独立端口称为独立输出端口，另一个与PV阵列连接，则该独立端口称为独立输入端口。
PV阵列产生的至少部分功率传递到第一功率模块510的第二端口，然后通过第一功率模块510的第三端口流入功率总线，然后通过第二功率模块520的第三端口流入第二功率模块520，最后通过第二功率模块520的第二端口流向独立输出端口以为外部负载充电。
在一实施例中，功率变换系统中每个功率模块的独立端口以及并联端口(如果功率总线上设有端口)还可以与储能装置连接。
其中，当功率变换系统上连接的储能装置均用于存储能量时，即储能装置从供电电源获得能量时，其功率调度可参考功率变换系统为外部负载充电时的功率调度的描述，此处不再赘述。
当功率变换系统上连接的储能装置均用于释放能量时，即储能装置向外部，例如，电网侧，提供能量时，其功率调度可参考功率变换系统接入PV阵列的描述，此处不再赘述。
在一实施例中，功率变换系统中每个功率模块的独立端口以及并联端口(如果功率总线上设有端口)，可以有部分端口与储能装置连接，部分端口为外部负载充电，外部负载例如为电动汽车，如图14所示。
图14中，并联端口与储能装置连接，第一功率模块510的独立输出端口为电动汽车充电。此时，若储能装置释放能量，则储能装置输出的功率通过功率总线流向第一功率模块510的第三端口，然后通过第一功率模块510的第二DC-DC电路流向第一功率模块510的第一DC-DC电路，最后通过第一功率模块510的第一DC-DC电路的第一端口为电动汽车充电。这样，利用功率模块的第三端口处功率可以双向流动的特性，将储能装置的释放的能量提供给外部负载，为外部负载充电，而不需要供电电源为外部负载充电。
若储能装置储存能量，则通过供电电源为储能装置以及外部负载提供能量，此时，由于储能装置储存能量，因此，储能装置相当于外部负载。此时，其功率调度可参考功率变换系统为外部负载充电时的功率调度的描述，此处不再赘述。
在一实施例中，功率变换系统中每个功率模块的独立端口以及并联端口(如果功率总线上设有端口)，可以有部分端口与储能装置连接，部分端口与PV阵列连接，如图15所示。
图15中，并联端口与储能装置连接，第一功率模块510的独立输出端口与PV阵列连接。此时，若储能装置释放能量，PV阵列为电网侧供电，由于储能装置释放能量，因此，储能装置的作用与PV阵列一样，为电网侧供电。此时，其功率调度可参考功率变换系统接入PV阵列的描述，此处不再赘述。
若储能装置储存能量，则PV阵列产生的功率通过第一功率模块510的第二端口流入第一DC-DC电路，然后流向第一功率模块510的第二DC-DC电路，最后，通过第一功率模块510的第三端口流入功率总线，从而为储能装置提供能量。这样，利用功率模块的第三端口处功率可以双向流动的特性，将PV阵列产生的能量提供给储能装置，而不需要供电电源为外部负载充电。
需要说明的是，图11a-图15中仅仅示出了功率变换系统包括两个功率模块的情况，当功率变换系统包括多个功率模块时，也可以利用功率总线以及每个功率模块的第三端口进行功率模块之间的功率均衡调度，此处不再赘述。
基于本申请的发明构思，功率变换系统的结构还可以包括：
图16为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图，如图16所示，每个功率模块均包括第三DC-DC变换电路和/或第四DC-DC变换电路。其中，第一功率子模块的第二端通过第三DC-DC变换电路电气连接第二端口，第一功率子模块的第三端通过第四DC-DC变换电路电气连接第三端口。
本实施例中，如图16所示，以第一功率子模块包括第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路为例进行说明，那么，第一DC-DC变换电路的第二端通过第三DC-DC变换电路连接第二端口，第二DC-DC变换电路的第二端通过第四DC-DC变换电路连接第三端口。
在一些实施例中，每个功率模块的第一功率子模块610包括多绕组变压器，其中，多绕组变压器的结构如图17所示，多绕组变压器160包括一个原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，在每个功率模块中，第一功率子模块的第一端与原边绕组电气连接，第一功率子模块的第二端通过第一整流电路与第一副边绕组电气连接，第一功率子模块的第三端与第二副边绕组电气连接。
如图17所示，可选的，第一功率子模块的第一端通过一逆变电路与原边绕组电气连接。其中，vi1至viN为直流链的电压。
多绕组变压器160的第一副边绕组通过第一整流电路与第一功率子模块的第二端连接，第一功率子模块的第二端与第二端口连接。其中，vo1至voN为第二端口的电压。
多绕组变压器160的第二副边绕组与第一功率子模块的第三端连接，第一功率子模块的第三端与第三端口连接。可选的，第二副边绕组可以直接与第一功率子模块的第三端连接。
需要说明的是，对于图17示出的第一功率子模块，N个功率模块中，与第三端口连接的副边绕组之间彼此并联形成一功率总线，但是该功率总线并没有与负载或者储能装置等其他装置相连，因此，该功率总线用于功率模块间功率调度，解决独立端口功率不平衡时引起的直流链均压问题。由于调度功率只需经过变压器的副边绕组，所以系统的整体损耗受影响较小，效率较高。同时，由于只需额外的一个副边绕组即可完成功率的调度，成本较低。此外，该功率总线上也可以设置一并联端口，用于与负载或者储能装置等其他装置相连。
图18为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图，如图18所示，每个功率模块中包括多绕组变压器。其中，在图18中，多绕组变压器的第一副边绕组通过第一整流电路与第一功率子模块的第二端连接，第二副边绕组通过第二整流电路与第一功率子模块的第三端连接。第一功率子模块的第二端和第三端分别直接与功率模块的第二端口和第三端口电气连接。
需要说明的是，对于图18示出的功率变换系统，N个功率模块的第三端口彼此并联形成一功率总线，且该功率总线设有并联端口，因此，该功率总线不仅可以用于功率模块间功率调度，解决独立端口负载不平衡时引起的直流链均压问题，还可以作为功率输出端口为外部负载(例如，电动汽车)充电。在一些实施例中，该功率总线也可仅用于功率模块间功率调度，不设有并联端口。
需要说明的是，在图18中，与两个副边绕组分别连接的整流电路没有单独示出。
图19为本申请另一实施例提供的第一功率子模块的结构示意图。图19示出的第一功率子模块与图17示出的第一功率子模块类似。其中，图17与图19的不同之处在于，功率总线后设置一并联端口。在N个功率模块的第三端口形成并联连接点(图19中的A点)后，通过第二整流电路与并联端口连接。
为了使功率变化系统的功率调度更易于实现，如图20所示，可使第一功率子模块的第三端通过第一阻抗调节电路与两个副边绕组中的一个副边绕组连接，和/或第二率子模块的第二端通过第二阻抗调节电路与两个副边绕组中的另一副边绕组电气连接。其中，第一阻抗调节电路和第二阻抗调节电路通过调整不同功率模块变压器输出阻抗的一致性，使功率变化系统的功率调度更易于实现。
可选的，第一阻抗调节电路包括第一电容C1。
可选的，第一阻抗调节电路包括第二电容C2和第一电感L1或者第二电容C2和第一电感L1串联。
可选的，第二阻抗调节电路包括第三电容C3。
可选的，第一阻抗调节电路包括第四电容C4和第二电感L2或者第四电容C4和第二电感L2串联。
其中，图20中示出的第一阻抗调节电路包括第一电容C1，第二阻抗调节电路包括第三电容C3，电容C1和电容C3通过调整不同功率模块变压器输出阻抗的一致性，使功率变化系统的功率调度更易于实现。
在一实施例中，如图21所示，原边绕组通过第三阻抗调节电路与第二率子模块的第一端电气连接。
可选的，第三阻抗调节电路包括第五电容C5。
可选的，第三阻抗调节电路包括第六电容C6和第三电感L3或者第六电容C6和第三电感L3串联。
其中，图21中示出的第一阻抗调节电路包括第二电容C2和第一电感L1，第二阻抗调节电路包括第四电容C4和第二电感L2，第三阻抗调节电路包括第六电容C6和第三电感L3。
需要说明的是，图20中的第一阻抗调节电路可以替换为图21中示出的第一阻抗调节电路，和/或，图20中的第二阻抗调节电路可以替换为图21中示出的第二阻抗调节电路。同样的，图21中的第一阻抗调节电路可以替换为图20中示出的第一阻抗调节电路，和/或，图21中的第二阻抗调节电路可以替换为图20中示出的第二阻抗调节电路。
图22为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图。如图22所示，在每个功率模块包括图18所示的第一功率子模块的基础上，每个功率模块还包括：第五DC-DC变换电路和第六DC-DC变换电路。其中，第一功率子模块的第三端通过第五DC-DC变换电路连接第三端口。
需要说明的是，图22可以基于上述任一实施例所示的功率变换系统进行扩展。
可选的，如图22所示，每个功率模块还可以包括：第六DC-DC变换电路，第一功率子模块的第二端通过第六DC-DC变换电路连接第二端口。
在一实施例中，在图22所示的功率变换系统中，第一功率子模块采用多端口DC-DC变换电路，通过Buck分别与功率模块的第二端口和第三端口相连接，结合AC-DC变换电路，功率模块共三级变换电路，多端口DC-DC变换电路进行输出端口之间的隔离，每个输出端口接一个Buck电路，可以实现电压宽范围输出。
需要说明的是，在图18所示功率变换系统的基础上，第一功率子模块中也还可以设置串并联切换电路，如图23所示，以实现宽范围输出。
在一些实施例中，Buck电路也可以独立于功率模块，例如图24所示，这样便于Buck模块化，用户可以按需扩展。
图25为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图。如图25所示，第一功率子模块包括第八DC-DC变换电路和第九DC-DC变换电路。
其中，第一功率子模块的第一端与第八DC-DC变换电路的第一端电气连接，第八DC-DC变换电路的第二端电气连接第一功率子模块的第二端，第九DC-DC变换电路的第一端与第八DC-DC变换电路的第二端电气连接，第九DC-DC变换电路的第二端电气连接第一功率子模块的第三端。
图26为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图。如图26所示，第一功率子模块包括第十DC-DC变换电路和第一DC-AC变换电路。
其中，第一功率子模块的第一端与第十DC-DC变换电路的第一端电气连接，第十DC-DC变换电路的第二端电气连接第一功率子模块的第二端，第一DC-AC变换电路的第一端与第一功率子模块的第一端电气连接，第一DC-AC变换电路包括变压器，变压器的副边绕组电气连接第一功率子模块的第三端。
图27为本申请另一实施例提供的功率变换系统的结构示意图。如图27所示，第一功率子模块包括第十一DC-DC变换电路和第二DC-AC变换电路。
其中，第一功率子模块的第一端与第十一DC-DC变换电路的第一端电气连接，第十一DC-DC变换电路的第二端电气连接第一功率子模块的第二端，第二DC-AC变换电路的第一端与第一功率子模块的第二端电气连接，第二DC-AC变换电路包括变压器，变压器的副边绕组电气连接第一功率子模块的第三端。
本申请提出一种三相功率变换系统，其中，该三相功率变换系统的每一相均包括多个功率变换系统，每个功率变换系统可以为上述任一实施例示出的功率变换系统。三相功率变换系统可以为角接、星接、三相三线或三相四线系统，其中，图28为角接三相功率变化系统示意图。
如图28所示，输入为角接，其中，至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第一相功率变换系统，至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第二相功率变换系统，至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第三相功率变换系统。
图29为本申请另一实施例示出的三相功率变换系统的结构示意图。如图29所示，在图28的基础上，至少三个功率变换系统中的第二功率模块的第二端口并联连接形成一输出端口。
可选的，在图28以及图29的基础上，三相功率变换系统中的每相功率变换系统的功率总线并联连接形成一输出端口。
下面，在图8所示的功率变换系统的基础上，对功率变换系统功率调度的方法进行说明。图8所示的功率变换系统可以替换为上述任一功率变换系统。
在图8所示的功率变换系统的基础上，当功率变换系统包括N个功率模块时候，所有第三端口的功率之和为Ps，第i个功率模块的第二端口的功率为Pi，第一端口功率为PHi。其中，功率变换系统的第二端口和第三端口的额定功率或最大功率为Pr，功率模块第一端口的额定功率或最大功率为2Pr。
图30为本申请一实施例提供的功率变换系统的控制方法的流程图。如图30所示，功率变换系统的控制方法包括：
S2701、计算所有功率模块的第三端口及所有功率模块的第二端口的功率的平均功率。
本实施例中，所有功率模块的第三端口形成并联端口，每个功率模块的第二端口为独立端口，并联端口和每个独立端口作为充电放电端口用于为外部负载充电或者放电。例如，对于一个充电站来说，每个充电放电端口接入的负载的功率不同，并且，在同一时间，并不是所有的充电端口都接入外部负载，这就导致直流链均压问题。对于本申请所示的功率变换系统，计算该功率变换系统接入的负载的总功率，然后，根据总功率计算每个功率模块的平均功率。其中，每个功率模块的平均功率的计算公式例如公式一：
Figure BDA0002782122650000161
其中，Pavg表示每个功率模块的平均功率。
需要说明的是，当独立端口没有外部负载接入时，该独立端口对应的功率为0。
S2702、根据平均功率和每个功率模块的第二端口的功率计算每个功率模块的第三端口的功率指令。
本实施例中，每个功率模块的平均功率与该功率模块独立端口的功率的差值为该功率模块的第三端口的功率指令Psi，计算公式如公式二所示：
Psi＝Pavg-Pi 公式二
S2703、根据每个功率模块的第三端口的功率指令控制各功率模块的第三端口的功率。
本实施例中，针对每个功率模块的第三端口，将该功率模块的第三端口的功率控制为根据公式二计算获得的该功率模块的第三端口的功率指令。
需要说明的是，由于每个功率模块的第三端口的最大功率为Pr，因此，若根据公式二计算获得的第三端口的功率指令Psi大于Pr，则对该功率模块的第三端口的功率指令进行限幅，使该功率模块的第三端口的功率指令为Pr。
可选的，如果该功率模块包括第一功率子模块和第二功率子模块，其中，第二功率子模块的第二端通过直流链与第一功率子模块的第一端电气连接，当该功率模块的第三端口的功率指令Psi大于Pr时，可以结合现有方法(例如，第二功率子模块包括AC-DC变换电路时可采用注入无功电流法，第二功率子模块包括DC-DC变换电路时可采用调节输入端口电压法)进行直流链进行均压控制。
例如，在上述方法的基础上，还可以将上述方法与注入无功电流法结合。其中，当第三端口的需要输出的功率(即功率指令Psi)大于Pr时，无法通过第三端口进行第一端口的功率平衡，此时需要结合现有的控制方法，例如二功率子模块采用无功电流注入法。需要说明的是，上述方法与注入无功电流法结合的方法在重载时(例如每个独立端口的功率都大于其半载功率时)效率较优。
图31为本申请另一实施例提供的功率变换系统的控制方法的流程图。如图31所示，功率变换系统的控制方法包括：
S2801、计算所有功率模块的直流链电压的平均值。
本实施例中，在功率变换系统中，每个功率模块均设有直流链。其中，若功率模块包括第一功率子模块和第二功率子模块，则直流链为连接第一功率子模块和第二功率子模块连接的电路部分，若功率模块只包括第一功率子模块，则直流链为第一功率子模块电路与供电电源连接的电路部分。
功率变换系统中任一功率模块上的直流链的电压为Vdci，计算功率变换系统中所有功率模块上的直流链的电压Vdci的平均值Vdcavg，计算公式如公式三：
Figure BDA0002782122650000171
其中，N表示所有功率模块的数量。
S2802、根据所述直流链电压的平均值、所述第三端口的输出电压给定值及每个功率模块的直流链电压值计算所述每个第三端口的输出电压指令。
本实施例中，根据公式四计算每个第三端口的输出电压指令：
Vrefi＝Vseti+Kd(Vdci-Vdcavg) 公式四
其中，Vseti表示第i个功率模块的第三端口的输出电压给定值，Kd为常数，其值大小为给定值。
S2803、根据所述每个功率模块的所述第三端口的输出电压指令控制所述每个功率模块的第三端口的电压。
本实施例中，计算出每个功率模块的第三端口的输出电压指令后，根据第三端口的输出电压指令闭环控制所述每个功率模块的第三端口的电压，从而使得并联端口的功率自动分配。
需要说明的是，由于每个功率模块的第三端口的最大输出功率为Pr，因此，若第三端口的功率Pr，则对该功率模块的第三端口的功率指令进行限幅，使该功率模块的第三端口的功率为Pr。
可选的，如果该功率模块包括第一功率子模块和第二功率子模块，其中，第二功率子模块的第二端通过直流链与第一功率子模块的第一端电气连接，如果没有外部电源的干预，第一功率子模块的第一端的功率与该功率模块通过第一端口输入的输入功率相同。当该功率模块的第三端口的功率指令大于Pr时，可以结合现有方法(例如，第二功率子模块包括AC-DC变换电路时可采用注入无功电流法，第二功率子模块包括DC-DC变换电路时可采用调节输入端口电压法)进行前级均压控制，也就是对直流链进行均压控制。
需要说明的是，三相功率变换系统中，每个功率变换系统包括的功率模块的第三端口并没有并联在一起时，因此，无法通过图30和图31所示的方法实现相间的功率均衡。因此，需要结合现有方法(例如，第二功率子模块包括AC-DC变换电路且角接时可采用注入零序电流法)对直流链进行均压控制。
图30以及图31所示的功率变换系统的控制方法的控制原理是：出现直流链均压问题时，优先利用功率变换系统的第一功率子模块进行均压控制。当并联端口功率限幅时，或后级丧失均压能力时，才利用第二功率子模块进行均压。
其中，在一实施例中，针对本申请所提出的功率变换系统的架构，也可以与采用第二功率子模块进行均压的方法进行灵活配置，第一功率子模块用于均衡部分功率，第二功率子模块用于均衡剩余的不均衡功率，两者结合，既可以实现均压，又可以实现如系统效率最优等目标。根据此思路，本申请还提出一种功率变换系统的控制方法，如图32所示。其中，图32所示的功率变换系统的控制方法在图8所示的功率变换系统的基础上进行说明。
S2901、确定功率变换系统的控制目标。
本实施例中，以功率变换系统的损耗最低为控制目标，对应的目标函数如公式四所示：
Figure BDA0002782122650000181
其中，J表示功率变换系统的损耗；
Figure BDA0002782122650000182
反映了第二功率子模块的损耗，
Figure BDA0002782122650000183
反映了第一功率子模块中并联端口对应的DC-DC电路的损耗，a，b为加权系数，表征每个功率模块的第二功率子模块的功率损耗，第一功率子模块中并联端口DC-DC电路功率的功率损耗分别对于功率变换系统总损耗的影响。其中，不同的系统，加权系数可能不同。
需要说明的是，第一功率子模块中独立端口对应的DC-DC电路也会产生损耗，但是，独立端口对应的DC-DC电路产生损耗为常量，因此，在公式四中没有附加独立端口对应的DC-DC电路产生损耗。
S2902、确定功率变换系统的约束条件。
本实施例中，功率变换系统的约束条件如公式五-公式七所示：
Figure BDA0002782122650000191
Figure BDA0002782122650000192
PHk＝Psk+Pk 公式七
S2903、根据控制目标计算获得功率变换系统在约束条件下满足控制目标的变量
本实施例中，根据目标函数以及约束条件，通过优化算法或者其他计算方法获取在约束条件下，满足目标函数的变量，即PHk以及Psk。
S2904、根据变量的数值控制每个功率模块中第一端口和/或第三端口的功率。
本实施例中，根据计算获得的PHk以及Psk，将每个功率模块中的第一端口控制为PHk，和/或，将每个功率模块中的第三端口的功率控制为Psk。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (34)

1.一种功率变换系统，其特征在于，包括：
第一功率模块和第二功率模块，其中，每个功率模块均包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动。
2.根据权利要求1所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和第二功率模块的第一端口彼此串联后与外部设备电连接。
3.根据权利要求1或2所述的功率变换系统，其特征在于，当所述第一功率模块的第二端口的功率和所述第二功率模块的第二端口的功率不相等时，所述第一功率模块的第三端口和所述第二功率模块的第三端口通过所述功率总线交换功率，使得所述第一功率模块的第一端口的功率和所述第二功率模块的第一端口的功率趋于相等。
4.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块的所述第二端口和所述第二功率模块的第二端口分别输出功率，当所述第一功率模块的第二端口输出的功率小于所述第二功率模块的第二端口输出的功率时，所述第一功率模块的第一端口的至少部分输入功率传递至所述第一功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第二功率模块的第三端口，最后传递至所述第二功率模块的第二端口，使得所述第一功率模块的第一端口的输入功率和所述第二功率模块的第一端口的输入功率趋于相等。
5.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块的第二端口和所述第二功率模块的所述第二端口分别输入功率，当所述第一功率模块的第二端口的输入功率小于所述第二功率模块的第二端口的输入功率时，所述第二功率模块的第二端口的至少部分输入功率传递至所述第二功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第一功率模块的第三端口，最后传递至所述第一功率模块的第一端口，使得所述第一功率模块的第一端口的输出功率和所述第二功率模块的第一端口的输出功率趋于相等。
6.根据权利要求3所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块的第二端口用于输出功率，所述第二功率模块的第二端口用于输入功率时，所述第二功率模块的第二端口的至少部分输入功率传递至所述第二功率模块的第三端口，再通过所述功率总线传递至所述第一功率模块的第三端口，最后传递至所述第一功率模块的第二端口，使得所述第一功率模块的第一端口的功率和所述第二功率模块的第一端口的功率趋于相等。
7.根据权利要求1或2所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块，所述第一功率子模块包括第一端，第二端，第三端，所述第一端口电气连接所述第一功率子模块的第一端，所述第二端口电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第三端口电气连接所述第一功率子模块的第三端，其中，所述第一功率子模块的第一端和第二端为直流端。
8.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率子模块包括第一DC-DC变换电路和第二DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第一DC-DC变换电路的第一端、所述第二DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第一DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第二DC-DC变换电路的第二端连接所述第一功率子模块的第三端。
9.根据权利要求8所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一DC-DC变换电路和所述第二DC-DC变换电路的开关频率不同。
10.根据权利要求8所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块还包括第三DC-DC变换电路和第四DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第二端通过第三DC-DC变换电路电气连接所述第二端口，所述第一功率子模块的第三端通过第四DC-DC变换电路电气连接所述第三端口。
11.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率子模块包括多绕组变压器，所述多绕组变压器包括一个原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，所述第一功率子模块的第一端通过一逆变电路与所述原边绕组电气连接，所述第一副边绕组通过一第一整流电路与所述第一功率子模块的第二端电气连接，所述第二副边绕组与所述第一功率子模块的第三端电气连接。
12.根据权利要求11所述的功率变换系统，其特征在于，所述第二副边绕组直接与所述第一功率子模块的第三端电气连接，且直接与所述第三端口电气连接。
13.根据权利要求11所述的功率变换系统，其特征在于，所述第二副边绕组通过第二整流电路与第一功率子模块的第三端电气连接。
14.根据权利要求13所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括一第五DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第三端通过所述第五DC-DC变换电路与所述第三端口电气连接。
15.根据权利要求12或14所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括一第六DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第二端通过所述第六DC-DC变换电路与所述第二端口电气连接。
16.根据权利要求11-14任一项所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一副边绕组通过第一阻抗调节电路、所述第一整流电路与所述第一功率子模块的第二端电气连接；和/或，
所述第二副边绕组通过第二阻抗调节电路与所述第一功率子模块的第三端电气连接。
17.根据权利要求11-14任一项所述的功率变换系统，其特征在于，所述原边绕组通过第三阻抗调节电路、所述逆变电路与所述第一功率子模块的第一端电气连接。
18.根据权利要求16所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一阻抗调节电路包括第一电容；或者，
所述第一阻抗调节电路包括第二电容和第一电感，所述第二电容和第一电感串联；
所述第二阻抗调节电路包括第三电容；或者，
所述第二阻抗调节电路包括第四电容和第二电感，所述第四电容和第二电感串联。
19.根据权利要求17所述的功率变换系统，其特征在于，所述第三阻抗调节电路包括第五电容；或者，
所述第三阻抗调节电路包括第六电容和第三电感，所述第六电容和第三电感串联。
20.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率子模块包括第八DC-DC变换电路和第九DC-DC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第八DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第八DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第九DC-DC变换电路的第一端与所述第八DC-DC变换电路的第二端电气连接，所述第九DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第三端。
21.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率子模块包括第十DC-DC变换电路和第一DC-AC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第十DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第十DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第一DC-AC变换电路的第一端与所述第一功率子模块的第一端电气连接，所述第一DC-AC变换电路包括变压器，所述变压器的副边绕组电气连接所述第一功率子模块的第三端。
22.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率子模块包括第十一DC-DC变换电路和第二DC-AC变换电路，所述第一功率子模块的第一端与所述第十一DC-DC变换电路的第一端电气连接，所述第十一DC-DC变换电路的第二端电气连接所述第一功率子模块的第二端，所述第二DC-AC变换电路的第一端与所述第一功率子模块的第二端电气连接，所述第二DC-AC变换电路包括变压器，所述变压器的副边绕组电气连接所述第一功率子模块的第三端。
23.根据权利要求7所述的功率变换系统，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第二功率子模块，所述第一功率子模块的第一端通过所述第二功率子模块与所述第一端口电气连接。
24.根据权利要求23所述的功率变换系统，其特征在于，所述第二功率子模块包括AC-DC变换电路或者第七DC-DC变换电路。
25.一种三相功率变换系统，其特征在于，每相包括如权利要求1-24任一项所述的功率变换系统；其中，所述第一端口为交流端口，所述三相功率变换系统为角接、星接、三相三线或三相四线系统。
26.根据权利要求25所述的三相功率变换系统，其特征在于，至少三个功率变换系统中的第一功率模块的第二端口并联连接，其中，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第一相功率变换系统，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第二相功率变换系统，所述至少三个功率变换系统中的至少一个功率变换系统属于三相功率变换系统中的第三相功率变换系统。
27.根据权利要求26所述的三相功率变换系统，其特征在于，所述至少三个功率变换系统中的第二功率模块的第二端口并联连接。
28.根据权利要求27所述的三相功率变换系统，其特征在于，所述三相功率变换系统中的每相功率变换系统的功率总线并联连接。
29.一种功率变换系统的控制方法，其特征在于，所述功率变换系统包括第一功率模块和第二功率模块，其中，每个所述功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动，所述控制方法包括：
计算所有功率模块的所述第三端口及所有功率模块的所述第二端口的功率的平均功率；
根据所述平均功率和每个功率模块的所述第二端口的功率计算所述每个功率模块的所述第三端口的功率指令；
根据所述每个功率模块的所述第三端口的功率指令控制各功率模块的第三端口的功率。
30.根据权利要求29所述的控制方法，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块和第二功率子模块，所述第二功率子模块的第一端与所述第一端口电气连接，所述第二功率子模块的第二端通过直流链与所述第一功率子模块电气连接，所述第二功率子模块对所述直流链进行均压控制。
31.根据权利要求30所述的控制方法，其特征在于，当所述第三端口的功率大于额定功率时，对所述功率指令进行限幅。
32.一种功率变换系统的控制方法，其特征在于，所述功率变换系统包括第一功率模块和第二功率模块，其中，每个所述功率模块包含第一端口、第二端口以及第三端口；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第二端口之间相互独立；
所述第一功率模块和第二功率模块的所述第三端口并联连接形成一功率总线，且所述第三端口的功率双向流动，每个所述功率模块包括直流链，所述控制方法包括：
计算所有功率模块的直流链电压的平均值；
根据所述直流链电压的平均值、所述第三端口的输出电压给定值及每个功率模块的直流链电压值计算所述每个第三端口的输出电压指令；
根据所述每个功率模块的所述第三端口的输出电压指令控制所述每个功率模块的第三端口的电压。
33.根据权利要求32所述的控制方法，其特征在于，所述第一功率模块和所述第二功率模块均包括第一功率子模块和第二功率子模块，所述第二功率子模块的第一端与所述第一端口电气连接，所述第二功率子模块的第二端通过所述直流链与所述第一功率子模块电气连接，所述第二功率子模块对所述直流链进行均压控制。
34.根据权利要求33所述的控制方法，其特征在于，当所述第三端口的功率大于额定功率时，对所述功率指令进行限幅。
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