CN115362610B - 具有多个lvdc输出的sst系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于固态变压器(SST)系统(1)的电气互连电路。互连电路包括多个中压直流MVDC到低压直流LVDC直流转直流DC/DC转换器(3a、3b)；至少两个独立低压直流LVDC总线(6)；以及至少一个互连DC/DC转换器(5)，其连接至少两个独立LVDC总线(6)。本发明还涉及一种用于将中压交流(MVAC)转换为低压直流(LVDC)的固态变压器(SST)系统。

Description

具有多个LVDC输出的SST系统
技术领域
本发明涉及一种电气互连电路，其用于具有至少两个独立低压直流(LVDC)总线的固态变压器(SST)系统。本发明还涉及一种电气互连电路，其用于具有至少一个独立低压直流(LVDC)总线和至少一个互连DC/DC转换器的固态变压器(SST)系统，所述固态变压器(SST)系统被配置为确保多个MVDC到LVDC DC/DC转换器共用同一负载。本发明还涉及用于将中压交流(MVAC)转换为低压直流(LVDC)的固态变压器(SST)系统。
背景技术
EP 3 339 084 A1涉及一种包括变压器的电动车辆充电站。该变压器是一种多绕组变压器，其包括一个初级绕组和多个次级绕组。次级绕组彼此电隔离。电动车辆充电站还包括AC/DC转换器，次级绕组连接至该AC/DC转换器。
AU 2016/200827 Al涉及一系列用于通过固态变压器(SST)进行AC到AC和AC到DC功率传输的电路拓扑结构及其控制方法。通过具有无源滤波器和无功功率补偿器，这种SST可以以接近几百千赫甚至更高的高频工作。采用多级AC/DC转换器将SST对接至高压AC电网，从中供应或交换功率。采用基于所开发的SST的第一系统在两个AC电网之间传输功率。基于所开发的SST的第二系统用于从AC电网对电池或功率DC负载或AC微电网充电。基于所开发的SST的第三系统用于将功率供应至多个负载，包括AC电网、DC负载、充电电池以及功率DC微电网。此外，该文献涉及基于所开发的SST的双向AC/DC或AC/AC系统。
Achanta,P.等人在2018年3月4-8日于美国德克萨斯州圣安东尼奥市召开的IEEE应用电力电子学会议和博览会(APEC)上发表的“用于多级DC到三相AC转换的级联四重有源桥结构”，涉及包括互连dc到三相ac转换器单元的多级架构。为了实现串联操作，每个转换器单元都包含一个四重有源桥(QAB)转换器，其在dc侧和三个ac侧中的每一个之间提供隔离。在ac侧，由于每个转换器单元将dc侧功率作为恒定平衡的三相功率传输，这意味着瞬时输入-输出功率平衡，并允许消除大容量电容储能。除了最小化所需的电容外，所提出的方法同时使简化的dc链路控制器易于分散实施，支持双向功率传输，并呈现模块化结构以增强可扩展性。QAB提供的隔离允许在各种dc-ac、ac-dc或ac-ac应用中的多个单元之间进行广泛的电气配置。在本文中，重点是ac侧的串联以强调多级操作，并且该方法在包含两个级联转换器单元的dc-ac系统中进行了实验验证。
基于电力电子变压器的混合AC/DC电网架构设计与评估，2019IEEE创新智能电网技术-亚洲(ISGT ASIA)，IEEE，第2196-2200页第二和第三章，在图3(b)中显示并在B部分描述了用于SST系统的电气互连电路。互连电路包括多个MVAC/LVDC AC/DC转换器。DC总线分别由DC/DC转换器和DC断路器连接。
US 2008/0174177 A1描述了一种用于向飞行器的机载致动器供应功率的系统和方法。对于飞行器，出于安全原因，必须提供冗余组件。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种改进的SST系统。特别地，本发明的目的是减少SST的转换级数，同时对于每个MVDC到LVDC连接DC/DC转换器保持输入电压的均衡。
本发明的目的通过独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中具体记载了优选实施例。
因此，通过用于固态变压器(SST)系统的电气互连电路来实现该目的。互连电路包括多个中压直流(MVDC)到低压直流(LVDC)直流转直流(DC/DC)转换器；至少两条独立低压直流(LVDC)总线；以及连接至少两个独立LVDC总线的至少一个互连DC/DC转换器。
具体而言，该目的通过用于固态变压器(SST)系统的电气互连电路来实现，该互连电路包括：
多个中压直流MVDC到低压直流LVDC直流转直流DC/DC转换器；
至少两个独立低压直流LVDC总线；以及
连接所述至少两个独立LVDC总线的至少一个互连DC/DC转换器，其中，
所述至少一个互连DC/DC转换器被配置为在所述至少两个独立LVDC总线之间重新路由功率，以及
根据要从其他LVDC总线经由所述至少一个互连DC/DC转换器重新路由的功率来设定所述至少一个互连DC/DC转换器的额定功率。
附加地，互连电路可包括根据任何优选实施例的特征。
该目的还通过用于将中压交流(MVAC)转换为低压直流(LVDC)的固态变压器(SST)系统来实现。该SST系统包括：MVAC转换装置，其配置成将MVAC转换为MVDC；以及至少一个互连电路。可根据任何优选实施例来配置该互连电路。
固态变压器是一种具有中压输入、低压输出和集成中频隔离的电力电子转换器。这种变压器适合从中压电网向低压电网进行功率传输。可以构想出功率流的逆转，即双向功率传输。此外，应该注意的是，操作不限于AC网络，而是在输入和/或输出侧可存在DC连接，或者可在AC或DC中压网络的两侧操作。因此，SST结合了如下器件的元件：整流器(AC/DC)、逆变器(DC/AC)和电位分离DC/DC转换器电路，以及具有多级能量转换或矩阵转换器的转换器结构，并且SST最终设计为多级拓扑或多单元结构以控制中压。固态变压器也称为“智能变压器”或“电力电子变压器”。
本发明的一个关键点是，为了减少SST的转换级数，提出了如下解决方案，其中形成多个LVDC输出(对应于LVDC总线)。例如，在电动车辆(EV)充电的情况下，这些LVDC输出中的每个将例如对应一个充电极。在电池储能系统(BESS)或太阳能应用的情况下，它们将分别对应于例如一组电池组或一组太阳能电池板。
为了保证每个MVDC至LVDC连接DC/DC转换器所需的输入电压均衡，以防每个LVDC输出对来自其相应LVDC总线的功率量的需求不等，在独立LVDC总线之间提供互连DC/DC转换器。该转换器可以将LVDC总线之间的功率重新路由，以确保每个MVDC至LVDC DC/DC转换器的功率需求相等。在EV充电的情况中，这一概念导致现有已知的车对车隔离DC/DC转换器被功率量减小的单个DC/DC隔离转换器所取代。因此，有效地减少了转换级的总数。同样，在BESS情况中，这一概念导致系统的装机功率(installed power)总量减小。
根据优选的实施例，单个互连DC/DC转换器将至少两个独立LVDC总线中的两个连接至多个MVDC到LVDC DC/DC转换器。通过DC/DC转换器将两条LVDC总线成对连接可以减小设计电路时DC/DC转换器的额定功率。以这种方式，还可以提供复杂度降低的电路。因此，根据应用进行制造是一种更具成本效益的概念。
根据优选实施例，至少一个互连DC/DC转换器被配置为使得多个MVDC至LVDC DC/DC转换器中的每个转换器处于相同负载。DC/DC转换器的这种配置是有利的，例如，如果必须在独立的LVDC输出馈送出极为不同的功率的话。
根据优选的实施例，根据要从其他LVDC总线经由所述至少一个互连DC/DC转换器重新路由的功率，设定至少一个互连DC/DC转换器的功率。换言之，有意将互连DC/DC转换器的功率设计为传输其他DC/DC转换器的功率。因此有利地保证部件的均匀负载。在该优选实施例的部分中，描述了两种情形。
应考虑一个简化的SST系统，该系统具有相应简化的互连电路，在电动车辆充电情况中该系统具有两条LVDC总线。在这种情况下，会出现其中一个充电极，对应于其中一条LVDC总线，需要总功率P1，以及第二极，对应于另一条LVDC总线，不需要功率。在这种情况下，从每个MVDC到LVDC DC/DC转换器的功率必须等于P1/2，以便确保MVDC连接的单元中的每个的输入电压相等。在这种最坏的情况下，互连DC/DC转换器必须将P1/2的总功率从空载LVDC总线重新路由到满负载LVDC总线。因此，该DC/DC转换器的额定值等于每个充电极额定功率的一半。
还应考虑一个简化的SST系统，该系统具有相应简化的互连电路，在BESS/太阳能情况下具有两条LVDC总线。在这种情况下，每个LVDC输出的输出功率差异预计将大大低于EV充电情况。出于这个原因，考虑用于确定互连DC/DC转换器尺寸的更通用的公式。在这种情况下，互连DC/DC转换器的额定功率等于(P1-P2)/2，P1-P2表示两个LVDC输出之间最差情况的功率差，并且始终低于或等于单个LVDC输出的总功率。从这个意义上而言，鉴于BESS情况下独立电池组的充电状态或太阳能情况下PV电池板组供应的功率之间预计的差值相对较小，这种互连DC/DC转换器的额定值只是每个LVDC输出总功率的一小部分。
根据优选的实施例，根据至少两条LVDC总线中的一个在满负载时的输出功率，来设定至少一个互连DC/DC转换器的功率。根据优选实施例，其他LVDC总线不提供功率。如果互连电路是针对这种最坏情况设计的，则其可以有利地用于其他不太极端的情况，其中，多条LVDC总线处于负载状态并且必须提供功率。
根据优选的实施例，对于每对相连接的LVDC总线，至少一个互连DC/DC转换器的功率设定为(P1-P2)/2，其中，P1是对应于两条LVDC总线中的一个上的负载的功率，并且其中，P2是对应于两条LVDC总线中的另一个上的负载的功率。此规则还可以用于设定DC/DC转换器的额定功率，其中不同的负载应用到LVDC总线。上面所描述的实施例可以扩展至任意数量的成对相连接的LVDC总线。因此，互连电路可以具有简单设计。
根据优选的实施例，每个所述LVDC总线经由一个互连DC/DC转换器连接至每个LVDC总线，其中，互连DC/DC转换器的额定功率为P/n，其中，n为互连电路的LVDC总线的数量。特别是在两个或三个LVDC总线的情况下，这使得电路的简单设计具有优势。
根据优选的实施例，在LVDC总线和互连DC/DC转换器之间的每个连接中，串联连接另一个DC/DC转换器。在电动车辆充电的情况下，可以满足均连接至LVDC总线的各车辆之间的隔离需求。
根据优选的实施例，互连DC/DC转换器是如下转换器中的一者：双向转换器，或双向降压-升压转换器，或双有源桥(DAB)或稳压谐振转换器。这些都是可以低成本制造的部件，而且很容易获得，这进而又使互连电路能够以低成本制造。
根据优选的实施例，MVDC到LVDC DC/DC转换器是如下转换器中的一者：非稳压谐振转换器，或DAB，或稳压谐振转换器。这些都是可以低成本制造的部件，而且很容易获得，这进而又使互连电路能够以低成本制造。
从如前所述的系统中，本领域技术人员可以直接且明确地得出该方法的其他实施例和优点。
附图说明
从下文描述的实施例中，本发明的这些和其他方面将变得明显，并且参考下文描述的实施例来阐明。
在附图中：
图1示意性地示出了根据实施例的固态变压器系统；
图2示意性地示出了根据另一个实施例的固态变压器系统；
图3示意性地示出了用于固态变压器系统的根据实施例的针对三个LVDC输出的隔离DC/DC转换器和互连转换器的额定功率方案；
图4示意性地示出了用于固态变压器系统的根据实施例的针对四个LVDC输出的隔离DC/DC转换器和互连转换器的额定功率方案；
图5示意性地示出了用于固态变压器系统的根据另一个实施例的针对四个LVDC输出的隔离DC/DC转换器和互连转换器的额定功率方案；
图6示意性地示出了用于固态变压器系统的根据实施例的隔离DC/DC转换器和将转换器与公共LVDC总线互连的额定功率方案；以及
图7示意性地示出了用于固态变压器系统的根据实施例的隔离DC/DC转换器和互连转换器在经由磁耦合互连的情况下的额定功率方案。
具体实施方式
图1示意性地示出了根据实施例的固态变压器(SST)系统1。SST系统1以非常简化的形式示出。SST系统1适用于电动汽车(EV)充电应用。在该系统中，通过总共三个阶段有效地处理从中压交流(MVAC)到每个充电极4a、4b的功率。在这种情况下，所有隔离DC/DC转换器都可以是非稳压/串联谐振型，由此最终的电池充电器是非隔离降压转换器(non-insulated buck converter)。
SST系统1经由AC/DC转换器2连接至中压交流(MVAC)电网。SST系统1包括被配置为以中压直流(MVDC)模式操作的AC/DC转换器2。SST系统1还包括两对DC/DC转换器3、3a，其中，每对包括两个串联连接的DC/DC转换器3、3a。串联连接的DC/DC转换器3、3a连接至充电极4a、4b。充电极4a、4b中的每一个都可以用于给车辆(未示出)充电。成对的DC/DC转换器3、3a经由减小功率量的单个DC/DC隔离转换器5并联连接。DC/DC隔离转换器5是互连转换器。SST系统1包括两个具有相应LVDC输出的独立低压直流(LVDC)总线6。这些LVDC输出中的每个LVDC输出分别对应于两个充电极4a、4b中的一个。DC/DC转换器3a是被配置为将MVDC转换成LVDC的MVDC到LVDC DC/DC转换器。DC/DC隔离转换器5由于其他DC/DC转换器3而被隔离。由于电动汽车充电的绝缘要求，需要串联的其他DC/DC转换器3。换言之，DC/DC转换器3具有使两个充电极4之间隔离的功能。
对于该SST系统1，单个DC/DC隔离转换器5的功率减小量推导如下：
在本实施例中，假设如下情况：第一充电极4a被占用，需要功率P1。第二充电极4b不用于充电。因此，在该充电极4b处需要功率P2＝0。来自每个转换器3a的功率等于P1/2，以便确保每个MVDC连接单元的输入电压相等。在这种最坏的情况下，互连DC/DC转换器5必须将总功率P1/2从空载LVDC总线6重新路由至满负载LVDC总线6。因此，该DC/DC转换器3a的额定值等于每个充电极4a、4b的额定功率P1、P2的一半。此外，互连DC/DC转换器5是完全双向和稳压型的，假定期望功率流沿两个方向，并且确保每个MVDC向LVDC DC/DC转换器3a提供相等的功率。
图2示意性地示出了根据另一个实施例的固态变压器系统1。SST系统1适用于电池储能系统(BESS)或太阳能系统。在前面描述的系统中，通过三个阶段处理从MVAC至电池的功率。
SST系统1包括被配置为以MVDC模式操作的AC/DC转换器2。SST系统1还包括两个DC/DC转换器3b。DC/DC转换器3b连接至充电极4a、4b。每个充电极4a、4b可以用于为一组电池组充电或由一组太阳能电池板供电。DC/DC转换器3b经由单个减小功率量的DC/DC隔离转换器5并联连接。DC/DC隔离转换器5是互连转换器。SST系统1包括两个具有对应LVDC输出的独立低压直流(LVDC)总线6。这些LVDC输出中的每个LVDC输出分别对应于两个充电极4a、4b中的一个，每个充电极分别为一组电池组供电，或由一组太阳能电池板供电。DC/DC转换器3b被配置为将MVDC转换为LVDC。
对于该SST系统1，单个DC/DC隔离转换器5的功率减小量推导如下：
在BESS/太阳能情况中，每个LVDC输出的输出功率差值低于EV充电情况。出于此原因，考虑了用于确定互连DC/DC转换器尺寸的更通用的公式。在这种情况下，互连DC/DC转换器5的额定功率等于(P1-P2)/2，而P1-P2表示两个LVDC输出之间最坏情况下的功率差。最坏情况下的功率差小于或等于单个LVDC输出的总功率。在这个意义上而言，考虑到BESS情况中独立电池组的充电状态或太阳能情况中PV面板组提供的功率之间的预期差异相对小，该互连DC/DC转换器5的额定值仅占每个LVDC输出总功率的小部分。
在BESS/太阳能应用的情况下，非稳压谐振转换器(在第一实施例中用作DC/DC转换器3a)必须由稳压谐振转换器或双有源桥(Dual-Active-Bridge，DAB)来转换，鉴于每个LVDC输出必须为其独立的电池组或太阳能电池板提供调节，以便在BESS情况下恰当充电或放电，或为太阳能情况下的每个光伏(PV)面板组实施最大功率点跟踪(MPPT)。此外，互连DC/DC转换器必须是双向降压升压型(bidirectional buck boost type)，以便涵盖所有可能的情况。
图3示意性地示出了用于固态变压器系统1的根据实施例的针对三个LVDC输出的隔离DC/DC转换器3和互连转换器5的额定功率。图3对应于具有三个互连DC/DC转换器5和三个隔离DC转换器3的环形配置。图3中的方案以简化方式示出了当额定功率概念扩展至三个LVDC输出并考虑负载不对称的最坏情况(即，仅在一个LVDC输出中满负载，其他所有输出为零)时所需的额定功率。因此，每个互连DC/DC转换器5的功率的额定值均为一个LVDC输出的功率P的三分之一。
图4示意性地示出了用于固态变压器系统1的根据实施例的针对四个LVDC输出的隔离DC/DC转换器3和互连转换器5的额定功率。图4对应于具有四个互连DC/DC转换器5和四个隔离式DC转换器3的环形配置。图4中的方案以简化方式示出了当将额定功率概念扩展至四个LVDC输出并考虑负载不对称的最坏情况(其中仅一个LVDC输出满负载，并且其他所有输出为零)时所需的额定功率。因此，每个互连DC/DC转换器5的功率的额定值均为一个LVDC输出的功率P的3/8。
图5示意性地示出了用于固态变压器系统1的根据实施例的针对四个LVDC输出的隔离DC/DC转换器3和互连转换器5的额定功率。图5对应于具有六个互连DC/DC转换器5和四个隔离DC转换器3的配置。进一步连接至LVDC总线6(附图中未示出)的所有隔离DC转换器3彼此互连。附图中的方案以简化的方式示出了当额定功率概念扩展至四个LVDC输出并考虑负载不对称的最坏情况(其中仅一个LVDC输出满负载而其他所有输出为零)时所需的额定功率。因此，每个互连DC/DC转换器5的功率的额定值均为一个LVDC输出的功率P的四分之一。
可以以增强系统某些功能的其他方式将互连DC/DC转换器5进行组合。
例如，图6示意性地示出了用于固态变压器系统1的根据实施例的针对一个LVDC总线6的隔离DC/DC转换器3和互连转换器5的额定功率。图6是具有三个互连DC/DC转换器5和三个隔离DC转换器3的配置。附图中的方案以简化的方式示出了当将额定功率概念扩展至四个LVDC输出并考虑负载不对称的最坏情况(其中仅在一个LVDC输出中满载)时所需的额定功率。因此，每个互连DC/DC转换器5的功率均为一个LVDC输出的功率P的三分之二。先前描述的实施例可以用于例如集成可再生资源，和/或对接至通用电池存储单元。
图7示出了用于与根据图6的实施例类似的配置的类似额定功率概念。该配置包括经由一个互连磁耦合7在DC/DC转换器3和互连转换器5之间的一个公共互连。换言之，借助于多绕组中频变压器代替单个MFT，实现了由中频AC互连代替DC互连。每个绕组连接至相应的电力电子桥，因此避免了次级AC/DC级。这种配置的优点是每个互连转换器只需要一半数量的功率半导体器件。
尽管已在附图和上述描述中对本发明进行了详细说明和描述，但这种说明和描述应被认为是说明性的或示例性的，而不是限制性的；本发明不限于所公开的实施例。通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，可以理解和实现要公开的实施例的其他变型。在权利要求中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举了某些措施，这一事实并不代表这些措施的组合不能有利地使用。权利要求中的任何参考符号不应被解释为限制范围。
附图标记列表
1 固态变压器(SST)系统
2 AC/DC转换器
3 用于绝缘的DC/DC转换器
3a 配置为将MVDC转换为LVDC的DC/DC转换器
3b 第二实施例的DC/DC转换器
4a 第一充电极
4b 第二充电极
5 DC/DC隔离转换器
6 LVDC总线
7 互连磁耦合
P1 来自第一充电极的功率
P2 来自第二充电极的功率

Claims (10)

1.一种用于固态变压器SST系统(1)的电气互连电路，所述互连电路包括：
多个中压直流MVDC到低压直流LVDC直流转直流DC/DC转换器(3a、3b)；
至少两个独立低压直流LVDC总线(6)，所述至少两个独立直流LVDC总线分别连接至所述MVDC到LVDC DC/DC转换器(3a、3b)中的一个MVDC到LVDC DC/DC转换器；以及
至少一个互连DC/DC转换器(5)，所述至少一个互连DC/DC转换器(5)连接所述至少两个独立LVDC总线(6)，其中，
所述至少一个互连DC/DC转换器(5)被配置为在所述至少两个独立LVDC总线(6)之间重新路由功率，以确保每个MVDC到LVDC DC/DC转换器(3a、3b)的功率需求相等，以及
根据要从其他LVDC总线(6)经由所述至少一个互连DC/DC转换器(5)重新路由的功率，设定所述至少一个互连DC/DC转换器(5)的额定功率。
2.根据前一权利要求所述的互连电路，其中，单个互连DC/DC转换器(5)将所述至少两个独立LVDC总线(6)中的两个独立LVDC总线(6)连接至所述多个MVDC到LVDC DC/DC转换器(3a、3b)。
3.根据前一权利要求所述的互连电路，其中，根据所述至少两个LVDC总线(6)中的一个LVDC总线在满负载下的输出功率，设定所述至少一个互连DC/DC转换器(5)的功率。
4.根据前一权利要求所述的互连电路，其中，其他LVDC总线(6)不提供功率。
5.根据前述权利要求中任一项所述的互连电路，其中，对于每对相连接的LVDC总线(6)，所述至少一个互连DC/DC转换器(5)的功率被设定为(P1-P2)/2，其中，P1是对应于所述两个LVDC总线(6)中的一个LVDC总线上的负载的功率，并且其中，P2是对应于所述两个LVDC总线(6)中的另一个LVDC总线上的负载的功率。
6.根据前述权利要求中任一项所述的互连电路，其中，所述LVDC总线(6)中的每个LVDC总线经由一个互连DC/DC转换器(5)连接至所述LVDC总线(6)中的每个LVDC总线，其中，所述互连DC/DC转换器(5)中的每个转换器的额定功率为P/n，并且其中，n为所述互连电路的LVDC总线(6)的数量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的互连电路，其中，在所述LVDC总线(6)和所述互连DC/DC转换器(5)之间的每个连接中，串联连接另一个DC/DC转换器。
8.根据前述权利要求中任一项所述的互连电路，其中，所述互连DC/DC转换器(5)是如下转换器中的一者：双向转换器，或者双向降压-升压转换器，或者双有源桥DAB或稳压谐振转换器。
9.根据前述权利要求中任一项所述的互连电路，其中，所述MVDC到LVDC DC/DC转换器(3a，3b)是如下转换器中的一者：非稳压谐振转换器，或者DAB或稳压谐振转换器。
10.一种用于将中压交流MVAC转换为低压直流LVDC的固态变压器SST系统(1)，包括：
MVAC转换装置，其配置为将MVAC转换为MVDC；以及
根据前述权利要求中任一项所述的至少一个互连电路。
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