CN116632890B - 一种隔离型变流器拓扑结构及其容量共享与故障容错方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隔离型变流器拓扑结构及其容量共享与故障容错方法，属于电力电子技术领域，拓扑结构采用多层模块化，多层模块叠加并联且共同连接在负载侧，各模块内部拓扑和器件完全相同，模块之间单独工作；每层模块包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；隔离型变流器拓扑结构使用双向双刀单掷开关SR1连接第三端口和第四端口，实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。本发明能够实现模块式的隔离型变流器系统结构，双向buck/boost电路调节蓄电池充放电，缓解燃料电池启动的慢特性，减少高频变压器绕组个数，降低变压器设计难度，实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。

Description

一种隔离型变流器拓扑结构及其容量共享与故障容错方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是一种隔离型变流器拓扑结构及其容量共享与故障容错方法。
背景技术
随着能源需求的日益增加，新能源成为能源体系中的重要组成部分，通过多端口变换器不仅能够灵活地利用多种不同的分布式能源发电，还能减小设备体积、降低系统损耗、增加功率密度，因此应用于微电网的多端口变换器逐渐成为了国内外的研究热点。目前，针对含混合储能的多端口变换器，在减小系统体积、实现有效控制混合储能和光伏输入，提升系统性能等方面还有待提高，人们还在不断提出新方法和新策略。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种隔离型变流器拓扑结构及其容量共享与故障容错方法，能够实现模块式的隔离型变流器系统结构，双向buck/boost电路调节蓄电池充放电，缓解燃料电池启动的慢特性，减少高频变压器绕组个数，降低变压器设计难度，实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种隔离型变流器拓扑结构，拓扑结构采用多层模块化，多层模块叠加并联且共同连接在负载侧，各模块内部拓扑和器件完全相同，模块之间单独工作；每层模块包括第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口；第一端口和第二端口分别连接在第一高压绕组两侧，第三端口和第四端口、第五端口分别连接在第二高压绕组两侧；
第四端口电容V4输入端与第五端口开关管S5A集电极的连接点A1、第四端口电容V4输出端与第五端口开关管S5B发射极的连接点B1和第三端口开关管S3C集电极和电解槽输入端的连接点A2、第三端口开关管S3D发射极和电解槽输出端的连接点B2处分别连接双向双刀单掷开关SR1；所述的隔离型多端口变流器拓扑结构使用双向双刀单掷开关SR1连接第三端口和第四端口，实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第一端口包括电容V1、开关管S1A、开关管S1B、开关管S1C、开关管S1D和电感L1；光伏板输出端、电容V1输入端与开关管S1A、S1C集电极电性连接，所述开关管S1A发射极与开关管S1B集电极连接，所述开关管S1C发射极与开关管S1D集电极连接，光伏板输入端、电容V1输出端与开关管S1B、S1D发射极连接，所述电感L1一端与开关管S1A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第二端口包括电容V2、开关管S2A、开关管S2B、开关管S2C、开关管S2D和电感L2；用户端输入端、电容V2输入端与开关管S2A、S2C集电极电性连接，所述开关管S2A发射极与开关管S2B集电极连接，所述开关管S2C发射极与开关管S2D集电极连接，用户端输出端、电容V2输出端与开关管S2B、S2D发射极连接，所述电感L2一端与开关管S2A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第三端口包括电容V3、开关管S3A、开关管S3B、开关管S3C、开关管S3D和电感L3；电解槽输入端、电容V3输入端与开关管S3A、S3C集电极电性连接，所述开关管S3A发射极与开关管S3B集电极连接，所述开关管S3C发射极与开关管S3D集电极连接，电解槽输出端、电容V3输出端与开关管S3B、S3D发射极连接，所述电感L3一端与开关管S3A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第四端口包括电容V4、开关管S4A、开关管S4B、开关管S4C、开关管S4D和电感L4；燃料电池输入端、电容V4输入端与开关管S4A、S4C集电极电性连接，所述开关管S4A发射极与开关管S4B集电极连接，所述开关管S4C发射极与开关管S4D集电极连接，燃料电池输出端、电容V4输出端与开关管S4B、S4D发射极连接，所述电感L4一端与开关管S4A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接。
本发明技术方案的进一步改进在于：所述第五端口包括电容V5、开关管S5A、开关管S5B和电感L5；蓄电池输入端、电容V5输入端与开关管S5A集电极电性连接，所述开关管S5A发射极与开关管S5B集电极连接，蓄电池输出端、电容V5输出端与开关管S5B发射极连接，所述电感L5一端与开关管S5A发射极连接，另一端与蓄电池输入端、电容V5输入端连接。
一种隔离型变流器拓扑结构的容量共享方法，包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；
所述第一工作模式为：所述第一端口、第二端口、第三端口、第四端口和第五端口同时工作；
所述第二工作模式为：所述第一端口、第二端口和第三端口工作，第四端口和第五端口不工作；
所述第三工作模式为：所述第一端口、第二端口、第四端口、第五端口工作，所述第三端口不工作；
所述第四工作模式为：所述第二端口、第四端口、第五端口工作，所述第一端口、第三端口不工作。
一种隔离型变流器拓扑结构的故障容错方法，包括第一故障容错模式和第二故障容错模式；
所述第一故障容错模式为：第三端口故障，开关SR1闭合，电解槽通过第四端口和第五端口保持连接；
所述第二故障容错模式为：第四端口故障，开关SR1闭合，燃料电池和蓄电池通过第五端口和第三端口保持连接。
由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：
1、本发明中，组件之间单独工作，互不影响，可根据需求方便地增加减少组件，各个模块相同，可以实现标准化，规模化生产，可以方便迅速地采集每个模块的性能信息，而且能有效提高系统的使用寿命和可靠度。
2、本发明使用双向buck/boost电路调节蓄电池充放电，实现恒压/恒流控制，维持直流电压稳定；蓄电池启动较快可以缓解燃料电池启动的慢特性。
3、本发明中燃料电池与蓄电池端口采用非隔离互联，减少高频变压器绕组个数，降低变压器设计难度；可实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。
附图说明
图1是本发明拓扑原理图；
图2是本发明多层模块化拓扑图；
图3是本发明容量共享工作模式图；
图4是本发明故障容错模式图；
其中，1、第一端口，2、第二端口，3、第三端口，4、第四端口，5、第五端口，6、光伏板，7、电解槽，8、用户端，9、燃料电池，10、蓄电池。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明：
如图1所示，一种隔离型多端口变流器拓扑结构，拓扑采用多层模块化，每层模块包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4和第五端口5；第一端口1和第二端口2分别连接在第一高压绕组两侧，第三端口3和第四端口4、第五端口5分别连接在第二高压绕组两侧。
所述第一端口1包括电容V1、开关管S1A、开关管S1B、开关管S1C、开关管S1D和电感L1；光伏板6输出端、电容V1输入端与开关管S1A、S1C集电极电性连接，所述开关管S1A发射极与开关管S1B集电极连接，所述开关管S1C发射极与开关管S1D集电极连接，光伏板6输入端、电容V1输出端与开关管S1B、S1D发射极连接，所述电感L1一端与开关管S1A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接；
所述第二端口2包括电容V2、开关管S2A、开关管S2B、开关管S2C、开关管S2D和电感L2；用户端8输入端、电容V2输入端与开关管S2A、S2C集电极电性连接，所述开关管S2A发射极与开关管S2B集电极连接，所述开关管S2C发射极与开关管S2D集电极连接，用户端8输出端、电容V2输出端与开关管S2B、S2D发射极连接，所述电感L2一端与开关管S2A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接；
所述第三端口3包括电容V3、开关管S3A、开关管S3B、开关管S3C、开关管S3D和电感L3；电解槽7输入端、电容V3输入端与开关管S3A、S3C集电极电性连接，所述开关管S3A发射极与开关管S3B集电极连接，所述开关管S3C发射极与开关管S3D集电极连接，电解槽7输出端、电容V3输出端与开关管S3B、S3D发射极连接，所述电感L3一端与开关管S3A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接；
所述第四端口4包括电容V4、开关管S4A、开关管S4B、开关管S4C、开关管S4D和电感L4；燃料电池9输入端、电容V4输入端与开关管S4A、S4C集电极电性连接，所述开关管S4A发射极与开关管S4B集电极连接，所述开关管S4C发射极与开关管S4D集电极连接，燃料电池9输出端、电容V4输出端与开关管S4B、S4D发射极连接，所述电感L4一端与开关管S4A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接；
所述第五端口5包括电容V5、开关管S5A、开关管S5B和电感L5；蓄电池10输入端、电容V5输入端与开关管S5A集电极电性连接，所述开关管S5A发射极与开关管S5B集电极连接，蓄电池10输出端、电容V5输出端与开关管S5B发射极连接，所述电感L5一端与开关管S5A发射极连接，另一端与蓄电池10输入端、电容V5输入端连接；
第四端口4电容V4输入端与第五端口5开关管S5A集电极的连接点A1、第四端口4电容V4输出端与第五端口5开关管S5B发射极的连接点B1和第三端口3开关管S3C集电极和电解槽输入端的连接点A2、第三端口3开关管S3D发射极和电解槽输出端的连接点B2处分别连接双向双刀单掷开关SR1；所述的隔离型多端口变流器拓扑结构使用双向双刀单掷开关SR1连接第三端口3和第四端口4，可实现端口电力电子器件容量共享和故障容错；
如图2所示，为了提高功率等级，引入n层模块式的隔离型多端口变流器拓扑结构，包括模块1～模块n，模块1～模块n叠加并联且共同连接在负载侧，各模块内部拓扑和器件完全相同，模块之间单独工作，互不影响，根据需求方便地增加减少模块层数n，可根据需要取任何值；各个模块相同，可以实现标准化，规模化生产，可以方便迅速地采集每个模块的性能信息，而且能有效提高系统的使用寿命和可靠度。
如图3所示，一种隔离型变流器拓扑结构的容量共享方法，包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；
所述第一工作模式为：所述第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4和第五端口5同时工作；
所述第二工作模式为：所述第一端口1、第二端口2和第三端口3工作，第四端口4和第五端口5不工作；
所述第三工作模式为：所述第一端口1、第二端口2、第四端口4、第五端口5工作，所述第三端口3不工作；
所述第四工作模式为：所述第二端口2、第四端口4、第五端口5工作，所述第一端口1、第三端口3不工作。
如图4所示，一种隔离型变流器拓扑结构的故障容错方法，包括第一故障容错模式和第二故障容错模式；
所述第一故障容错模式为：第三端口3故障，开关SR1闭合，电解槽通过第四端口4和第五端口5保持连接；
所述第二故障容错模式为：第四端口4故障，开关SR1闭合，燃料电池和蓄电池通过第五端口5和第三端口3保持连接。
隔离型多端口变流器拓扑结构中每一模块中器件的工作方式和在电路中的作用完全相同，因此分析时以子模块1为例，子模块2~子模块n相似；每个模块设有五个端口，包括第一端口1、第二端口2、第三端口3、第四端口4和第五端口5，燃料电池9与蓄电池10复用一个四端口4，使用双向buck/boost电路调节蓄电池充放电，实现恒压/恒流控制，维持直流电压稳定；蓄电池10启动较快可以缓解燃料电池9启动的慢特性；燃料电池9与蓄电池10端口采用非隔离互联，减少高频变压器绕组个数，降低变压器设计难度。
一种隔离型变流器拓扑结构的容量共享方法中，第一工作模式适用于光伏充足情况，第二工作模式适用于光伏较弱或蓄电池充满情况，第三工作模式适用于光伏发电很弱的情况，第四工作模式适用于夜间或阴天无光伏发电的情况；
隔离型多端口变流器拓扑结构使用双向双刀单掷开关SR1连接第三端口3和第四端口4，可实现端口电力电子器件容量共享和故障容错；在不同故障情况下有2种故障容错模式，包括第一故障容错模式、第二故障容错模式；
第一故障容错模式：第三端口3故障，开关SR1闭合，电解槽通过第四端口4和第五端口5保持连接；光伏充足时，通过第四端口4至第一端口1由光伏板供电，阴天或夜间无光伏时，通过第四端口4至第五端口5由燃料电池和蓄电池供电；
第二故障容错模式：第四端口4故障，开关SR1闭合，燃料电池和蓄电池通过第五端口5至第三端口3保持连接；光伏充足时，光伏板6通过第一端口1，第三端口3至第五端口5为蓄电池10供电；阴天或夜间无光伏时，蓄电池10和燃料电池9通过第五端口5为电解槽7供电，通过第五端口5，第三端口3至第二端口2为用户端8供电。
综上所述，本发明能够实现模块式的系统结构，双向buck/boost电路调节蓄电池充放电，缓解燃料电池启动的慢特性，减少高频变压器绕组个数，降低变压器设计难度，实现端口电力电子器件容量共享和故障容错。

Claims (6)

1.一种隔离型变流器拓扑结构，其特征在于：拓扑结构采用多层模块化，多层模块叠加并联且共同连接在负载侧，各模块内部拓扑和器件完全相同，模块之间单独工作；每层模块包括第一端口（1）、第二端口（2）、第三端口（3）、第四端口（4）和第五端口（5）；第一端口（1）和第二端口（2）分别连接在第一高压绕组两侧，第三端口（3）和第四端口（4）、第五端口（5）分别连接在第二高压绕组两侧；
第四端口（4）电容V4输入端与第五端口（5）开关管S5A集电极的连接点A1、第四端口（4）电容V4输出端与第五端口（5）开关管S5B发射极的连接点B1和第三端口（3）开关管S3C集电极和电解槽输入端的连接点A2、第三端口（3）开关管S3D发射极和电解槽输出端的连接点B2处分别连接双向双刀单掷开关SR1；隔离型变流器拓扑结构使用双向双刀单掷开关SR1连接第三端口（3）和第四端口（4），实现端口电力电子器件容量共享和故障容错；
所述第一端口（1）包括电容V1、开关管S1A、开关管S1B、开关管S1C、开关管S1D和电感L1；光伏板（6）输出端、电容V1输入端与开关管S1A、S1C集电极电性连接，所述开关管S1A发射极与开关管S1B集电极连接，所述开关管S1C发射极与开关管S1D集电极连接，光伏板（6）输入端、电容V1输出端与开关管S1B、S1D发射极连接，所述电感L1一端与开关管S1A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接；
所述第五端口（5）包括电容V5、开关管S5A、开关管S5B和电感L5；蓄电池（10）输入端、电容V5输入端与开关管S5A集电极电性连接，所述开关管S5A发射极与开关管S5B集电极连接，蓄电池（10）输出端、电容V5输出端与开关管S5B发射极连接，所述电感L5一端与开关管S5A发射极连接，另一端与蓄电池（10）输入端、电容V5输入端连接。
2.根据权利要求1所述的隔离型变流器拓扑结构，其特征在于：所述第二端口（2）包括电容V2、开关管S2A、开关管S2B、开关管S2C、开关管S2D和电感L2；用户端（8）输入端、电容V2输入端与开关管S2A、S2C集电极电性连接，所述开关管S2A发射极与开关管S2B集电极连接，所述开关管S2C发射极与开关管S2D集电极连接，用户端（8）输出端、电容V2输出端与开关管S2B、S2D发射极连接，所述电感L2一端与开关管S2A发射极连接，另一端与第一高压绕组连接。
3.根据权利要求1所述的隔离型变流器拓扑结构，其特征在于：所述第三端口（3）包括电容V3、开关管S3A、开关管S3B、开关管S3C、开关管S3D和电感L3；电解槽（7）输入端、电容V3输入端与开关管S3A、S3C集电极电性连接，所述开关管S3A发射极与开关管S3B集电极连接，所述开关管S3C发射极与开关管S3D集电极连接，电解槽（7）输出端、电容V3输出端与开关管S3B、S3D发射极连接，所述电感L3一端与开关管S3A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接。
4.根据权利要求1所述的隔离型变流器拓扑结构，其特征在于：所述第四端口（4）包括电容V4、开关管S4A、开关管S4B、开关管S4C、开关管S4D和电感L4；燃料电池（9）输入端、电容V4输入端与开关管S4A、S4C集电极电性连接，所述开关管S4A发射极与开关管S4B集电极连接，所述开关管S4C发射极与开关管S4D集电极连接，燃料电池（9）输出端、电容V4输出端与开关管S4B、S4D发射极连接，所述电感L4一端与开关管S4A发射极连接，另一端与第二高压绕组连接。
5.一种隔离型变流器拓扑结构的容量共享方法，其特征在于：使用权利要求1～4任一项所述的隔离型变流器拓扑结构，包括第一工作模式、第二工作模式、第三工作模式和第四工作模式；
所述第一工作模式为：所述第一端口（1）、第二端口（2）、第三端口（3）、第四端口（4）和第五端口（5）同时工作；
所述第二工作模式为：所述第一端口（1）、第二端口（2）和第三端口（3）工作，第四端口（4）和第五端口（5）不工作；
所述第三工作模式为：所述第一端口（1）、第二端口（2）、第四端口（4）、第五端口（5）工作，所述第三端口（3）不工作；
所述第四工作模式为：所述第二端口（2）、第四端口（4）、第五端口（5）工作，所述第一端口（1）、第三端口（3）不工作。
6.一种隔离型变流器拓扑结构的故障容错方法，其特征在于：使用权利要求1～4任一项所述的隔离型变流器拓扑结构，包括第一故障容错模式和第二故障容错模式；
所述第一故障容错模式为：第三端口（3）故障，开关SR1闭合，电解槽通过第四端口（4）和第五端口（5）保持连接；
所述第二故障容错模式为：第四端口（4）故障，开关SR1闭合，燃料电池和蓄电池通过第五端口（5）和第三端口（3）保持连接。
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