CN204559399U - 多端口变换器及其功率可拓展平台 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多端口变换器及其功率可拓展平台。变换器包括至少一路输入电路,用于可拆卸电连接分布式能源的输入源;输出电路,与输入电路电连接用于可拆卸电连接负载;分流调节电路,与输入电路电连接用于进行分流调节;充放电电路,其一端与输入电路电连接、另一端用于可拆卸电连接用于储能的蓄电池;输入源向输出电路供电,或输入源为输出电路供电同时为电连接于充放电电路的蓄电池充电,或蓄电池单独为输出电路供电,或输入源及蓄电池联合向输出电路供电。能实现两路或多路输入一路输出的单级功率拓扑,可以把多个分布式能源结合起来,减小了体积,提高了功率密度和效率,并具有更好的单点失效性能,维护时更简单。所述功率可拓展平台包括多个上述的多端口变换器。
Description
技术领域
本实用新型涉及电力电子变换器技术领域,尤其涉及一种多端口变换器及其功率可拓展平台。
背景技术
近些年,全球节能减排的迫切需求与碳经济体系的经济要求,太阳能、风能及其它可再生无污染资源的发电技术,及其相关的能量转换拓扑和能量控制策略,成为社会研究的热点工程及科学问题。
广东省针对新能源开发与应用的企业众多,且产业链分部广泛合理。从新能源应用的器件筛选与供应、新能源材料的工程化生产、新能源功率变换器及其能量控制方法研发设计等等都有相关的高校、研究院所及公司进行研发与产业化生产。
多端口变换器((Multi-port converter,MPC)是典型的包含储能环节的新能源独立发电系统。目前深圳市新能源工业界多端口变换器,采用的是易于工程化生产而设计的单向和多向DC/DC有效组合,以实现系统能量管理与控制的多端口能源解决方案。但该解决方案中存在如下问题:功率变换器数量多,体积与重量较大,且存在多级功率变换,系统效率较低等。
实用新型内容
本实用新型为解决上述技术问题提供一种多端口变换器及其功率可拓展平台,能实现两路或多路输入一路输出的单级功率拓扑,可以把多个分布式能源结合起来,减小了体积,提高了功率密度和效率,并具有更好的单点失效性能,维护时更简单。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种多端口变换器,包括:至少一路输入电路,用于可拆卸电连接分布式能源的输入源;输出电路,与所述输入电路电连接用于可拆卸电连接负载;分流调节电路,与所述输入电路电连接用于进行分流调节;充放电电路,其一端与所述输入电路电连接、另一端用于可拆卸电连接用于储能的蓄电池;在指令控制下,所述输入源通过所述输入电路向所述输出电路供电,或者所述输入源通过所述输入电路为所述输出电路供电并同时为电连接于所述充放电电路的蓄电池充电,或者所述蓄电池通过所述充放电电路单独为所述输出电路供电,或者所述输入源通过所述输入电路以及所述蓄电池通过所述充放电电路联合向所述输出电路供电。
进一步地,所述充放电电路包括至少一个第一MOSFET管、一个第三MOSFET管及一个蓄电池连接端;所述第一MOSFET管的源极与所述输入电路相应电连接,所述第一MOSFET管的漏极与所述第三MOSFET管的漏极电连接,所述第三MOSFET管的源极与所述蓄电池连接端电连接。
进一步地,所述输入电路与所述分流调节电路之间设置有第二MOSFET管,所述第二MOSFET管的源极电连接所述分流调节电路,所述第二MOSFET管的漏极电连接所述输入电路。
进一步地,所述多端口变换器包括一变压器,所述变压器包括初级线圈、次级线圈及磁芯;所述初级线圈用作所述分流调节电路,所述初级线圈一端电连接所述第二MOSFET管的源极、另一端接地;所述次级线圈用作所述充放电电路的一部分,所述次级线圈两端分别电连接于所述第一MOSFET管和所述第三MOSFET管的漏极之间;其中,所述分流调节电路与所述充放电电路通过所述变压器耦合以便于储能和续流。
进一步地,所述初级线圈与所述次级线圈的匝数比为1:1。
进一步地,所述多端口变换器包括两路及两路以上的所述输入电路,各所述输入电路均电连接至同一所述输出电路、所述分流调节电路及所述充放电电路,其中,各所述输入电路与所述充放电电路之间均设置有一所述次级线圈,各所述次级线圈均与所述初级线圈耦合。
进一步地,各所述次级线圈的匝数相同。
进一步地,各所述输入电路包括输入端口和第一二极管,所述输出电路包括输出端口和第二二极管;同一所述输入电路中,所述第一二极管的阳极电连接所述输入端口,所述第一二极管的阴极电连接所述第一MOSFET管的源极;所述第二二极管的阳极电连接所述第二MOSFET管的漏极、阴极电连接所述输出端口。
进一步地,所述第三MOSFET管的源极电连接有一端接地的第一电容,所述第二二极管的阴极电连接有一端接地的第二电容。
为解决上述技术问题,本实用新型还提供一种功率可拓展平台,包括多个如上述任一项实施方式所述的多端口变换器,各所述多端口变换器并联设置。
本实用新型的多端口变换器及其功率可拓展平台:通过采用单级功率电路,将分流调节电路、蓄电池充放电电路有效的结合在一起,去掉了多余的元器件,解决了现有变换器体积大,功率密度小等问题,提高了变换器的转换效率,而且易于拓展。并且,该多端口变换器充电能量来源可以上文举例的是PV1或PV2阵列等,因此整机的充电效率高于现有技术中的S3R功率调节结构的PCU,其模块相互一致的并联结构具有更好的单点失效性能,在设备维护时更为简单。
附图说明
图1是本实用新型多端口变换器实施方式的功能模块示意图。
图2是本实用新型多端口变换器一实施方式的电路结构示意图。
图3-图9是图2所示多端口变换器等效电路的工作状态1-状态7的结构示意。
图10是图2所示多端口变换器在Boost-BCR模式时域波形(以PV1工作为例)。
图11是图2所示多端口变换器在Buck-BDR模式时域波形(以PV1工作为例)。
图12是图2所示多端口变换器在SR模式时域波形(以PV1工作为例)。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本实用新型进行详细说明。
参阅图1,本实用新型实施方式的多端口变换器,包括以下结构:
输入电路1,用于可拆卸电连接分布式能源的输入源PV1。具体而言,该分布式能源可以是光伏阵列、风机、水轮机等,后文以光伏阵列连接至其中之一的输入电路1为例进行详细说明。
输出电路3,与输入电路1电连接用于可拆卸电连接负载4。
分流调节电路5,与输入电路1电连接用于进行分流调节。
充放电电路6,其一端与输入电路1电连接、另一端(即P4)用于与蓄电池7可拆卸电连接,该蓄电池7可进行充电储能或放电以保证负载4正常工作。
其中,在指令控制下,可实现以下四种工作模式:输入源PV1通过输入电路1向输出电路3供电,或者输入源PV1通过输入电路1为输出电路3供电并同时为电连接于充放电电路6的蓄电池7充电,或者蓄电池7通过充放电电路6单独为输出电路3供电,或者输入源PV1通过输入电路1以及蓄电池7通过充放电电路6联合向输出电路3供电。
参阅图2,该充放电电路6包括至少一个第一MOSFET管S1、一个第三MOSFET管S3及一个蓄电池连接端P4。其中,第一MOSFET管S1的源极与输入电路1相应电连接,第一MOSFET管S1的漏极与第三MOSFET管S3的漏极电连接,而第三MOSFET管S3的源极与蓄电池连接端P4电连接。进一步地,输入电路1与分流调节电路5之间设置有第二MOSFET管S2,第二MOSFET管S2的源极电连接分流调节电路5,第二MOSFET管S2的漏极电连接输入电路1。具体而言,各MOSFET管S1、S2、S3均对应包括一个本身自带的体寄生二极管D1、D2、D3,等效地,各个体寄生二极管的阳极电连接于MOSFET管的源极,各个体寄生二极管的阴极电连接于MOSFET管的漏极。通过第一、第二及第三MOSFET管S1、S2、S3的设置,在动态切换至相应工作模式时可以实现零电流(ZCS)开通。
在一优选实施方式中,多端口变换器100包括一变压器T,变压器T包括初级线圈L1、次级线圈L2及磁芯(未标示);初级线圈L1用作分流调节电路5,初级线圈L1一端电连接第二MOSFET管S2的源极、另一端接地;次级线圈L2用作充放电电路6的一部分,次级线圈L2两端分别电连接于第一MOSFET管S1和第三MOSFET管S3的漏极之间。其中,分流调节电路5与充放电电路6通过变压器T耦合以便于储能和续流,能够提高单个模块效率和增加稳定性,易于拓展。优选地,初级线圈L1与次级线圈L2的匝数比为1:1,能够简化后续对电流的控制。
其中,图2中所示的RLm和Lm是变压器T一次侧(即初级线圈L1)的等效励磁电感和电阻;Rb是蓄电池的等效电阻。为确保该多端口变换器100在后续使用中能够工作于Boost-BCR工作模式下,其中,第一电阻RL的阻值远大于第二电阻Rb的阻值。具体工作中,当第二MOSFET管S2开通时PV1(或/和PV2等)、Lm、RLm就形成一个回路,能够进行分流,使能量消耗在RLm上。当然,通常情况下不需要对电流进行分流,而是将富余电能通过充放电电路6存储至蓄电池7中,由此,可设置一电压检测电路(图未示)以通过测量蓄电池7电压的情况进而测量其电量存储情况,当检测到蓄电池7存储电量已满时,才通过内部或外部控制器开启该分流调节电路对电流进行分流。
在优选实施方式中,继续参阅图1和图2,多端口变换器100包括两路及两路以上的输入电路(1-N),各输入电路(1-N)均电连接至同一输出电路3、分流调节电路5及充放电电路6。其中,各输入电路(1-N)与充放电电路6之间均分别设置有一个次级线圈(如图2所示的L2、L3),各次级线圈L2、L3均与初级线圈L1耦合。优选地,各次级线圈的匝数相同,如次级线圈L2与次级线圈L3的匝数比为1:1,使得在输入源为多个时,能够简化对各输入源输入电流的控制。该实施方式的多端口变换器100具有两路及两路以上的输入,经采用一个拓扑结构就能够解决多个输入源的问题,适用于多个分布式能源的发电接入,该单级功率拓扑效率更高、功率密度更高,有助于减少硬件成本。
全文中,可以如图2所示,输入电路的数量N可以取值为2,对应地,可以分别取两组光伏阵列作为输入源PV1、输入源PV2对应电连接至输入电路1、输入电路2。
上述实施方式中,可以通过如下举例的控制方式实现前文提及的四种工作模式,为方便说明,仅取输入电路1接入输入源PV1为例进行说明。
一、同时关断第三MOSFET管S3和第二MOSFET管S2,即可实现输入源PV1通过输入电路1向输出电路3供电,即向电连接于输出电路3的负载4供电。
二、关断第二MOSFET管S2并开通第三MOSFET管S3,即可实现输入源PV1通过输入电路1为输出电路3供电并同时为电连接于充放电电路6的蓄电池7充电。为蓄电池7充电时,可采用MPPT(Maximum power point tracking,最大功率跟随)模式为蓄电池7进行充电。
三、关断第二MOSFET管S2并开通第一MOSFET管S1,并且在输入电路不接入输入源或输入源不产生电能(如光伏阵列在阴影区)时,即可实现蓄电池7通过充放电电路6单独为输出电路3供电。
四、关断第二MOSFET管S2并开通第一MOSFET管S1,即可实现输入源通过输入电路以及蓄电池7通过充放电电路6联合向输出电路3供电,以满足负载4大功率需求。
当然,在输入源为多个时,具体控制原理与上文一至四所描述的工作内容相似。
上述实施方式中,结合图3-图9参阅(其分别对应状态1-状态7),该多端口变换器100的工作原理简要分析如下(仍以PV1工作为例)。
1)PV1阵列向负载4供电即SR((Shunt Regulator)模式和PV1阵列Boost-BCR(Boost-Battery Charge)模式。
状态1: 太阳电池阵列PV1通过第一MOSFET管S1的体寄生二极管D1对电感电流IL2 进行续流放电,第三MOSFET管S3导通状态,其工作模式是Boost-BCR。如图10中所示,t0时刻以前第二MOSFET管S2开通,则PV1阵列对电感L1储能。在t0时刻第二MOSFET管S2关断,因此从t0时刻至t1时刻,电感电流通过体寄生二极管D1进行续流充电。从t1时刻至t2时刻S1软开通。因此状态1工作于Boost-BCR模式。
状态2:第二MOSFET管S2开通,则PV1对电感L1(即初级线圈L1)储能或者对地分流。在t2时刻,如图10所示,第一MOSFET管S1关断,但是充电电流IL2 始终通过第一MOSFETS1的体寄生二极管D1进行续流充电。在t3时刻,第二MOSFET管S2打开于是PV1阵列开始对电感L1储能或者分流。
状态3:由于第三MOSFET管S3关断,所以PV1阵列处于向负载4供电(为负载4供电的电流为Ipv)或者分流状态。
其稳态波形如图12所示,此时MPC(即多端口变换器)处于类似于S3R电路或独立模式下的电路的分流模式情况下。
2)蓄电池7向负载4供电,即Buck-BDR(Buck-Battery Discharge)模式。
状态4:电感电流通过第二MOSFET管S2的体寄生二极管D2续流向负载4供电,其电感电流IL1 线性下降。如图11所示,在t0时刻第二MOSFET管S2关断,则从t0时刻至t1时刻,蓄电池7通过体寄生二极管D2向负载4供电。在t1时刻,第一MOSFET管S1开通。
状态5:当第一MOSFET管S1开通时,电感电流IL2通过第三MOSFET管S3的体寄生二极管D3续流对负载4进行放电与对电感储能,此时是Buck-BDR模式。如图11所示,从t1时刻至t2时刻,第一MOSFET管S1处于开通状态,在此段时间内,电感电流IL2线性增加。在t2时刻第一MOSFET管S1关断,此后电感电流IL1线通过第二MOSFET管S2的体寄生二极管D2续流。在t3时刻,S2实现了软开通。
3)蓄电池7与太阳光伏阵列PV1联合向负载4供电模式。
状态6:当第一MOSFET管S1导通时,电感电流IL2通过第三MOSFET管S3的体寄生二极管D3续流对负载4进行放电与对电感储能,此时是Buck-BDR模式;与此同时太阳电池阵列PV1通过D4向负载4供电。联合供电模式下BDR工作模式如状态4一样,只是多了一个PV1输入。
状态7:电感电流IL1 通过第二MOSFET管S2的体寄生二极管D2向负载4供电,此时PV1仍通过D4向负载4供电。其续流放电工作类似于状态4。
在一具体应用实施方式中,如图所示,各输入电路1、2包括输入端口和第一二极管D5、D6,输出电路3包括输出端口和第二二极管D7;同一输入电路中,第一二极管D5、D6的阳极分别电连接输入端口P1、P2,第一二极管D5、D6的阴极分别电连接第一MOSFET管S1、S4的源极;第二二极管D7的阳极电连接第二MOSFET管S2的漏极、阴极电连接输出端口P3。其中,第一二极管D5、D6及第二二极管D7的设置能够保证能量的单向流动性,使得该多端口变换器的工作更加安全可靠。并且,第三MOSFET管S3的源极电连接有一端接地的第一电容C1,第二二极管D7的阴极电连接有一端接地的第二电容C2,第一电容C1的设置能够支持瞬时大电流放电,第二电容C2能够稳定负载电压。
本实用新型实施方式的多端口变换器100,可应用于燃料电池发电系统、独立光伏发电系统、混合储能系统、混合动力汽车、航天卫星供电系统等领域,采用单级功率电路,将分流调节电路5、蓄电池7充放电电路6有效的结合在一起,去掉了多余的元器件,解决了现有变换器体积大,功率密度小等问题,提高了变换器的转换效率,而且易于拓展。并且,该多端口变换器100充电能量来源可以上文举例的是PV1或PV2阵列等,因此整机的充电效率高于现有技术中的S3R功率调节结构的PCU,充电模式可以是最大功率跟随模式,可知模块相互一致的并联结构具有更好的单点失效性能,在设备维护时更为简单。
本实用新型还提供一种功率可拓展平台,包括多个如上述任一项实施方式的多端口变换器100,各多端口变换器100并联设置。对于多端口变换器100的描述请参阅前文,此处不再一一赘述。其中,各多端口变换器100可以层叠或平铺设置并集成为一个模块以构建该平台。该拓展平台集成度高、元器件较少,进而具有体积小、使用简单方便等的优点。
以上仅为本实用新型的实施方式,并非因此限制本实用新型的专利范围,凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种多端口变换器,其特征在于,包括:
至少一路输入电路,用于可拆卸电连接分布式能源的输入源;
输出电路,与所述输入电路电连接用于可拆卸电连接负载;
分流调节电路,与所述输入电路电连接用于进行分流调节;
充放电电路,其一端与所述输入电路电连接、另一端用于可拆卸电连接用于储能的蓄电池;
在指令控制下,所述输入源通过所述输入电路向所述输出电路供电,或者所述输入源通过所述输入电路为所述输出电路供电并同时为电连接于所述充放电电路的蓄电池充电,或者所述蓄电池通过所述充放电电路单独为所述输出电路供电,或者所述输入源通过所述输入电路以及所述蓄电池通过所述充放电电路联合向所述输出电路供电。
2.根据权利要求1所述的多端口变换器,其特征在于:
所述充放电电路包括至少一个第一MOSFET管、一个第三MOSFET管及一个蓄电池连接端;
所述第一MOSFET管的源极与所述输入电路相应电连接,所述第一MOSFET管的漏极与所述第三MOSFET管的漏极电连接,所述第三MOSFET管的源极与所述蓄电池连接端电连接。
3.根据权利要求2所述的多端口变换器,其特征在于:
所述输入电路与所述分流调节电路之间设置有第二MOSFET管,所述第二MOSFET管的源极电连接所述分流调节电路,所述第二MOSFET管的漏极电连接所述输入电路。
4.根据权利要求3所述的多端口变换器,其特征在于:
所述多端口变换器包括一变压器,所述变压器包括初级线圈、次级线圈及磁芯;
所述初级线圈用作所述分流调节电路,所述初级线圈一端电连接所述第二MOSFET管的源极、另一端接地;
所述次级线圈用作所述充放电电路的一部分,所述次级线圈两端分别电连接于所述第一MOSFET管和所述第三MOSFET管的漏极之间;
其中,所述分流调节电路与所述充放电电路通过所述变压器耦合以便于储能和续流。
5.根据权利要求4所述的多端口变换器,其特征在于:
所述初级线圈与所述次级线圈的匝数比为1:1。
6.根据权利要求4所述的多端口变换器,其特征在于:
所述多端口变换器包括两路及两路以上的所述输入电路,各所述输入电路均电连接至同一所述输出电路、所述分流调节电路及所述充放电电路,其中,各所述输入电路与所述充放电电路之间均设置有一所述次级线圈,各所述次级线圈均与所述初级线圈耦合。
7.根据权利要求6所述的多端口变换器,其特征在于:
各所述次级线圈的匝数相同。
8.根据权利要求6所述的多端口变换器,其特征在于:
各所述输入电路包括输入端口和第一二极管,所述输出电路包括输出端口和第二二极管;
同一所述输入电路中,所述第一二极管的阳极电连接所述输入端口,所述第一二极管的阴极电连接所述第一MOSFET管的源极;所述第二二极管的阳极电连接所述第二MOSFET管的漏极、阴极电连接所述输出端口。
9.根据权利要求8所述的多端口变换器,其特征在于:
所述第三MOSFET管的源极电连接有一端接地的第一电容,所述第二二极管的阴极电连接有一端接地的第二电容。
10.一种功率可拓展平台,其特征在于,包括多个如权利要求1-9任一项所述的多端口变换器,各所述多端口变换器并联设置。
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CN201520156987.6U CN204559399U (zh) | 2015-03-19 | 2015-03-19 | 多端口变换器及其功率可拓展平台 |
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Cited By (1)
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CN104796001A (zh) * | 2015-03-19 | 2015-07-22 | 深圳职业技术学院 | 多端口变换器及其功率可拓展平台 |
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2015
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Cited By (2)
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CN104796001A (zh) * | 2015-03-19 | 2015-07-22 | 深圳职业技术学院 | 多端口变换器及其功率可拓展平台 |
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C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
AV01 | Patent right actively abandoned |
Granted publication date: 20150812 Effective date of abandoning: 20171103 |
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AV01 | Patent right actively abandoned |