CN220210267U - 一种模块化的交流直流双向转换系统及储能设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型关于一种模块化的交流直流双向转换系统及储能设备。该系统包括：包括多个转换模块的第一转换组和包括多个转换模块的第二转换组，第一转换组和第二转换组的交流端口并联于第一公共端，且第一公共端用于连接于交流源电路；第一转换组和第二转换组的直流端口串联后连接于直流源电路的两端；每个转换模块包括：整流电路；在整流电路的交流端设置有第一隔离电路，或者，在整流电路的直流端设置有第二隔离电路。本实用新型通过模块化并联，减小了单一模块的功率；模块化串联，降低了单一模块的电压等级；通过改变模块化并联和串联的数量，可以更改系统的总功率。解决了高压大功率系统的开发难度大，设计门槛高，功率配置不灵活的问题。

Description

一种模块化的交流直流双向转换系统及储能设备

技术领域

本实用新型实施方式涉及电力电子保护电路技术领域，尤其涉及一种模块化的交流直流双向转换系统及储能设备。

背景技术

应用于储能等领域高压大功率逆变器系统(双向AC-DC)，通常面临三个主要问题，其一是高压，受到功率开关器件的限制，高压电路拓扑通常需要使用三电平或者多电平电路等复杂电路来降低对器件电压等级的要求；其二是大功率，功率越大，设计、开发、测试的难度增加；其三，通常一个模块就是一个系统，升功率或者降功率不够灵活。

关于上述的技术方案，发明人发现存在如下问题：高压大功率逆变器系统面临的主要问题是开发难度大，设计门槛高，功率配置不灵活。

因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本实用新型的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

实用新型内容

本实用新型实施方式的目的在于提供一种模块化的交流直流双向转换系统及储能设备，进而至少解决高压大功率逆变器系统的开发难度大，设计门槛高，功率配置不灵活等问题。

本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

第一方面，本实用新型提供了一种模块化的交流直流双向转换系统，包括：

第一转换组，所述第一转换组包括多个转换模块，且多个所述转换模块交流端相互连接作为第一交流端口，多个所述转换模块直流正端相互连接作为第一直流正端口，多个所述转换模块直流负端相互连接作为第一直流负端口；

第二转换组，所述第二转换组包括多个转换模块，且多个所述转换模块交流端相互连接作为第二交流端口，多个所述转换模块直流正端相互连接作为第二直流正端口，多个所述转换模块直流负端相互连接作为第二直流负端口；

其中，所述第一转换组的所述第一交流端口和所述第二转换组的所述第二交流端口并联连接于第一公共端，且所述第一公共端用于连接于交流源电路；所述第一转换组的所述第一直流负端口和所述第二转换组的所述第二直流正端口串联连接，所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第二转换组的所述第二直流负端口用于连接于直流源电路的两端；

其中，每个所述转换模块包括：整流电路，所述整流电路用于转换交流直流；在所述整流电路的交流端与所述转换模块的交流端之间设置有第一隔离电路，或者，在所述整流电路的直流端与所述转换模块的直流端之间设置有第二隔离电路。

可选地，所述第一隔离电路为隔离变压器。

可选地，所述第二隔离电路为直流-直流隔离电路。

可选地，所述第一转换组还设置有第一并机通信线，所述第一并机通信线用于通信所述第一转换组的全部转换模块；

所述第二转换组还设置有第二并机通信线，所述第二并机通信线用于通信所述第二转换组的全部转换模块。

可选地，在所述第一转换组的所述第一直流负端口和所述第二转换组的所述第二直流正端口之间设置有第二公共端，且所述第二公共端设置为抽出中线。

可选地，在所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第一直流负端口之间连接有反向二极管，且在所述第二转换组的所述第二直流正端口和所述第二直流负端口之间连接有反向二极管。

可选地，所述转换模块的功率及电压的规格相同。

可选地，所述第一转换组和所述第二转换组的转换模块的数量相同。

可选地，所述整流电路为三相全桥整流电路。

第二方面，本实用新型提供了一种储能设备，包括：

交流直流双向转换系统，所述交流直流双向转换系统为上述实施方式中任一项的所述的模块化的交流直流双向转换系统

交流电源，所述交流电源连接于所述第一公共端；

储能电容，所述储能电容的两端分别连接于所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第二转换组的所述第二直流负端口。

本实用新型的实施方式提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本实用新型的实施方式中，通过模块化并联，减小了单一模块的功率；模块化串联，降低了单一模块的电压等级；改变模块化并联和串联的数量，可以更改系统的总功率。通过模块化串并联，解决单一高压大功率系统的开发难度大，设计门槛高，功率配置不灵活的问题，同时提升了系统的可维护性。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本实用新型。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本实用新型的实施方式，并与说明书一起用于解释本实用新型的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施方式，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1示出本实用新型示例性实施方式中的模块化的交流直流双向转换系统的电路结构示意图；

图2示出相关技术中的三相三电平电路拓扑的电路示意图；

图3示出本实用新型示例性实施方式中的两种串并联方式的电路对比示意图；

图4示出本实用新型示例性实施方式中的设置有工频变压器的转换模块的电路示意图；

图5示出本实用新型示例性实施方式中的设置有隔离的DC-DC电路的转换模块的电路示意图；

图6示出本实用新型示例性实施方式中的设置有并机通信线的电路结构示意图；

图7示出本实用新型示例性实施方式中的设置有抽出中线和反向二极管的电路结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。

此外，附图仅为本实用新型的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本示例实施方式中首先提供了一种模块化的交流直流双向转换系统，参考图1中所示，包括：第一转换组以及第二转换组。

其中，第一转换组包括多个转换模块，且多个转换模块交流端相互连接作为第一交流端口，多个转换模块直流正端相互连接作为第一直流正端口，多个转换模块直流负端相互连接作为第一直流负端口。第二转换组包括多个转换模块，且多个转换模块交流端相互连接作为第二交流端口，多个转换模块直流正端相互连接作为第二直流正端口，多个转换模块直流负端相互连接作为第二直流负端口。

其中，第一转换组的第一交流端口和第二转换组的第二交流端口并联连接于第一公共端，且第一公共端用于连接于交流源电路；第一转换组的第一直流负端口和第二转换组的第二直流正端口串联连接，第一转换组的第一直流正端口和第二转换组的第二直流负端口用于连接于直流源电路的两端。

其中，每个转换模块包括：整流电路，整流电路用于转换交流直流；在整流电路的交流端与转换模块的交流端之间设置有第一隔离电路，或者，在整流电路的直流端与转换模块的直流端之间设置有第二隔离电路。

需要理解的是，模块化的交流直流双向转换系统也可以理解为模块化串并联AC-DC系统。转换模块也可以理解为隔离AC-DC模块。其主要设计方案是将多个隔离AC-DC模块先分组并联，再将分组后的并联组之间进行交流侧并联连接，直流侧串联连接。

还需要理解的是，以具体示例进行说明，隔离的AC-DC模块包括交流端口和直流端口，交流端口和直流端口之间存在变压器进行电气隔离。如图1所示，是8个相同的隔离的AC-DC模块，分两组并联，模块1～模块4并联后为上组，即交流端口并联在一起，直流端口并联在一起；模块5～模块8并联后为下组，同样交流端口并联在一起，直流端口并联在一起；上组和下组交流端口并联，直流端口串联。上组直流端口的负极和下组直流端口的正极相连。

还需要理解的是，由于隔离的AC-DC模块交流端口直接接交流电网，交流端的电压由电网电压决定，因此，交流端口表现为电流源特性；直流端口的电压是隔离的AC-DC模块控制的目标电压，因此直流端口是电压源特性。电流源可以直接并联，电压源可以直接串联。因此，上述隔离的AC-DC模块的交流端口全部可以并联在一起，分组并联后的直流端口可以直接串联在一起。

还需要理解的是，图2所示的是相关技术中可以实现高压直流输出的大功率AC-DC系统，由于采用了三相三电平电路拓扑，开关器件可以选择合适的电压等级，同时也有成熟的IGBT模块封装了如上三相三电平电路拓扑，当功率需要进一步增加时，选择多个模块并联。

还需要理解的是，基于相同的思路，还有一种方式是可以将模块先串联，然后在并联。参考图3所示，两种方式的对比图。这种方式也行实现串联降低电压，并联增加功率的方式，但是不如先并联，后串联。先串联后并联的方式，当有一个模块故障了之后，与之串联的模块同样会退出系统。另外，先串联后并联的模块，模块之间不好做并联，并联调节只能在每个串联组中的一个模块中进行，并联调节范围收到限制。相比而言，先并联后串联的方式更好一些。

还需要理解的是，直流端口串联，将每个隔离的AC-DC模块的直流端口电压进行分压，降低了隔离的AC-DC模块的直流端口的电压值，从而降低了AC-DC模块开关器件的电压等级。

根据上述模块化的交流直流双向转换系统，通过模块化并联，减小了单一模块的功率；模块化串联，降低了单一模块的电压等级；改变模块化并联和串联的数量，可以更改系统的总功率。通过模块化串并联，解决单一高压大功率系统的开发难度大，设计门槛高，功率配置不灵活的问题，同时提升了系统的可维护性。

下面，参考图1至图7所示对本示例实施方式中的上述模块化的交流直流双向转换系统进行更详细的说明。

可选地，参考图4中所示，第一隔离电路为隔离变压器。需要理解的是，转换模块也就是隔离AC-DC模块，包括工频变压器和不隔离的AC-DC变换器。一个具体的双向隔离AC-DC模块，包括工频变压器，以及桥式不隔离AC-DC电路，电路的开关器件选择全控型开关器件，如IGBT或者MOSFET，就可以实现电流双向运行。由于串联后直流端口电压降低，因此对于单个双向隔离AC-DC模块而言，直流端口电压降低，因此就可以选择桥式普通的AC-DC电路，避免使用三电平拓扑，降低了电路设计复杂度。同时，工频变压器也从一个大容量工频变压器变为多个小功率工频变压器，增加了设计的灵活性。

可选地，参考图5中所示，第二隔离电路为直流-直流隔离电路。需要理解的是，直流-直流隔离电路具体的可以是高频隔离的DC-DC变换器。隔离的AC-DC模块包括不隔离的AC-DC变换器和高频隔离的DC-DC变换器，其中不隔离的AC-DC变换器和高频隔离的DC-DC变换器串联组成隔离隔离的AC-DC模块。一个具体的双向隔离AC-DC模块实施方式，包括不隔离AC-DC电路，和一个高频隔离的DC-DC电路组成。相比采用工频变压器方案的实施方式而言，采用高频变压器的体积大大降低，虽然电路形式复杂，但是高频化是电子电子发展的趋势，通过高频化减小磁性器件的体积和重量，便于进行模块化设计。

可选地，参考图6中所示，第一转换组还设置有第一并机通信线，第一并机通信线用于通信第一转换组的全部转换模块。第二转换组还设置有第二并机通信线，第二并机通信线用于通信第二转换组的全部转换模块。需要理解的是，每一个隔离AC-DC模块包括并机通信线，所述的并机通信线在分组内部并联在一起，共享系统总电流的信息；如下图是分组并联后再串联的系统，并机通信线分别在分组内部，共享每一个并联组内的电流信息。电压源可以直接串联，但是不能直接并联，直接并联后当每个隔离AC-DC模块的直流电压稍微有偏差就会出现较大不均流，严重情况下还会在并联组内出现环流。当并联组内有并机通信线后，实施共享每个模块的电流信息，就可以通过微调直流端口的电压，从而进行主动均流调节。具体地，并机通信线是CAN总线，通过通信数据传递当前在线模块的数量和总电流信息。

可选地，参考图7中所示，在第一转换组的第一直流负端口和第二转换组的第二直流正端口之间设置有第二公共端，且第二公共端设置为抽出中线。需要理解的是，由于系统是通过交流侧并联，直流侧分组并联后再串联组成，因此直流侧的串联节点也可以当做直流输出节点。当直流侧有两串时，串联中点可以当做中线输出。

可选地，参考图7中所示，在第一转换组的第一直流正端口和第一直流负端口之间连接有反向二极管，且在第二转换组的第二直流正端口和第二直流负端口之间连接有反向二极管。需要理解的是，为了解决上组和下组并联模块不同时开机或者异常工况下，导致双向隔离的AC-DC模块的直流端口承受反极性电压，分别在上组和下组直流端口位置反向并联二极管。由于二极管钳位导通，可以消除直流端口的反极性电压。具体地，二极管选择为整流桥堆二极管。

可选地，参考图6和图7中所示，转换模块的功率及电压的规格相同。第一转换组和第二转换组的转换模块的数量相同。

可选地，参考图4和图5中所示，整流电路为三相全桥整流电路。需要理解的是，双向隔离AC-DC模块包括一个三相全桥电路组成的不隔离AC-DC电路，和有两个全桥以及隔离变压器组成的隔离DC-DC电路，当电路中的所有开关器件都使用全控型开关器件，如IGBT或MOS管时，电流是可以双向流动的，组成一个双向隔离的AC-DC模块。

进一步的，本示例实施方式中，基于相同的构思，还提供了一种储能设备，包括：交流直流双向转换系统、交流电源以及储能电容。

其中，交流直流双向转换系统为上述实施方式中任一项的模块化的交流直流双向转换系统。交流电源连接于第一公共端。储能电容的两端分别连接于第一转换组的第一直流正端口和第二转换组的第二直流负端口。

需要理解的是，具体的储能设备的实施可以参照上述的模块化的交流直流双向转换系统的实施，重复之处不再赘述。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的实用新型后，将容易想到本实用新型的其它实施方案。本申请旨在涵盖本实用新型的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本实用新型的一般性原理并包括本实用新型未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施方式仅被视为示例性的，本实用新型的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

Claims (10)

1.一种模块化的交流直流双向转换系统，其特征在于，包括：

第一转换组，所述第一转换组包括多个转换模块，且多个所述转换模块交流端相互连接作为第一交流端口，多个所述转换模块直流正端相互连接作为第一直流正端口，多个所述转换模块直流负端相互连接作为第一直流负端口；

第二转换组，所述第二转换组包括多个转换模块，且多个所述转换模块交流端相互连接作为第二交流端口，多个所述转换模块直流正端相互连接作为第二直流正端口，多个所述转换模块直流负端相互连接作为第二直流负端口；

其中，所述第一转换组的所述第一交流端口和所述第二转换组的所述第二交流端口并联连接于第一公共端，且所述第一公共端用于连接于交流源电路；所述第一转换组的所述第一直流负端口和所述第二转换组的所述第二直流正端口串联连接，所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第二转换组的所述第二直流负端口用于连接于直流源电路的两端；

其中，每个所述转换模块包括：整流电路，所述整流电路用于转换交流直流；在所述整流电路的交流端与所述转换模块的交流端之间设置有第一隔离电路，或者，在所述整流电路的直流端与所述转换模块的直流端之间设置有第二隔离电路。

2.根据权利要求1所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述第一隔离电路为隔离变压器。

3.根据权利要求1所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述第二隔离电路为直流-直流隔离电路。

4.根据权利要求1所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述第一转换组还设置有第一并机通信线，所述第一并机通信线用于通信所述第一转换组的全部转换模块；

所述第二转换组还设置有第二并机通信线，所述第二并机通信线用于通信所述第二转换组的全部转换模块。

5.根据权利要求1所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，在所述第一转换组的所述第一直流负端口和所述第二转换组的所述第二直流正端口之间设置有第二公共端，且所述第二公共端设置为抽出中线。

6.根据权利要求5所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，在所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第一直流负端口之间连接有反向二极管，且在所述第二转换组的所述第二直流正端口和所述第二直流负端口之间连接有反向二极管。

7.根据权利要求1-6任一项所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述转换模块的功率及电压的规格相同。

8.根据权利要求1-6任一项所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述第一转换组和所述第二转换组的转换模块的数量相同。

9.根据权利要求1-6任一项所述的交流直流双向转换系统，其特征在于，所述整流电路为三相全桥整流电路。

10.一种储能设备，其特征在于，包括：

交流直流双向转换系统，所述交流直流双向转换系统为权利要求1-9中任一项所述的模块化的交流直流双向转换系统

交流电源，所述交流电源连接于所述第一公共端；

储能电容，所述储能电容的两端分别连接于所述第一转换组的所述第一直流正端口和所述第二转换组的所述第二直流负端口。