一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器制造技术

本发明专利技术公开了一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，包括直流部分、滤波器以及交流部分，其中：直流部分包含至少二个并联的直流单元，每个直流单元包含一个直流电压源和三个双向开关，三个双向开关的一端与直流电压源的一端连接，三个双向开关的另一端分别与滤波器靠近直流部分的三个端口相连接，直流电压源的另一端与其他直流单元内的直流电压源相连接；滤波器靠近直流部分的三个端口分别为A、B、C三相，滤波器靠近直交流部分的三个端口连接交流部分的三相电网或三相负载。该变流器利用双向开关管，实现了多个直流源协同工作，具有结构简单、控制简便、可拓展性强、工作电压范围广、功率调节范围广等优点。

A Three-Phase Non-Isolated Bidirectional DC/AC Multi-Port Converter with Extended DC Port Number

【技术实现步骤摘要】
一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器
本专利技术属于电力电子系统
，具体涉及一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器。
技术介绍
多端口变流器在航空电源、电动汽车、混合储能、微网等领域有着重要作用。在电动汽车中，超级电容被用来提供短时峰值功率输出和动能回收。在光伏发电领域，蓄电池可以起到削峰填谷的作用。以上场景共同特点是存在多个直流电压源。因此涉及到多个直流源的协同工作和功率分配问题。在上述场景中，希望能够实现以下功能：当多个直流源同时处在充电或放电状态时，能够按照需要对各个直流源的功率进行控制和分配；当其中一个直流源电压较低时，仍然能够进行一定功率的能量吞吐；能够实现各个直流源之间的能量交换；具有一定的模块化设计，方便增加或减少直流源和直流端口的数量。为了实现上述功能，一种传统的做法是将每一个电压源用一个单独的三相逆变器相连，从而可以对每一个逆变器进行独立控制，并通过一个中央控制计算机或DSP对各个逆变器的工作状态和功率进行协同控制。但此方案存在一定缺点，即需要较多的滤波器和通信装置，并且要求每一个电压源电压均高于交流侧线电压的幅值，否则需要附加额外的DC/DC升压电路。由于需要DC/DC升压电路，其效率将降低，并且导致成本增加。在上述场景中，若采用多端口变流器，则只需要一套滤波器，不需模块间的通讯，且不要求每一个电压源的电压均高于交流侧线电压的最大值。此外，由于多电平特性，其输出的THD较两电平变流器更低、开关损耗更小。然而多端口变流器往往采用固定拓扑，其拓展性较差，不易增加新的电压源。2016年，加拿大有关学者提出了一种模块化设计的多端口变流器，通过控制开关器件的通断，可以将各个直流电压源串联至其他直流电源上，从而使各个电源切入或切出主电路，其本质为一种可改变直流母线电压的两电平变流器，可以采用SPWM或SVPWM控制。其每个直流源与数个开关管组成一个模块，模块数量可以方便增加或减少，具有一定的模块化设计。然而，由于各个直流源串联连接，每个开关周期流经各直流源的电流始终相等，因此各个直流源功率存在较强的耦合性，难以精确控制直流源的功率，只能通过将直流源切入或切出控制其功率。可以看到，针对多个直流源共存的应用场景，多端口变流器相比传统解决方案更具有成本上的优势，然而现有多端口变流器拓扑难以实现兼顾可拓展性和精确功率控制。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，该三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器可以同时连接多个直流电压源并使各个直流电压源协同工作，实现对各个直流电压源功率进行分配和控制；能够实现任意一个直流电压源能量的双向流动，实现直流电压源之间的能量交换；在直流源电压较低时，仍具有一定的充放电能力。本专利技术的技术方案为：一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，直流部分、滤波器以及交流部分，其中：直流部分包含至少二个并联的直流单元，每个直流单元包含一个直流电压源和三个双向开关，三个双向开关的一端与直流电压源的一端连接，三个双向开关的另一端分别与滤波器靠近直流部分的三个端口相连接，直流电压源的另一端与其他直流单元内的直流电压源相连接；滤波器靠近直流部分的三个端口分别为A、B、C三相，滤波器靠近直交流部分的三个端口连接交流部分的三相电网或三相负载。上述三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，当某双向开关导通时，该直流单元内的直流电压源被接入一相，在任意时刻，每一相上必须有且仅有一个直流电压源被接入该相，某直流单元内的直流电压源可以同时接入三相中的任意数相，或均不接入三相中的任意一相。具体地，可根据需要对直流单元的数据量进行拓展，且还可以根据需要，使三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器工作在整流、逆变、无功吞吐、谐波生成等工作模式下。上述三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，直流部分各电压源电压可以为正、负、零；其输出能力由各电压源中电压最高者与最低者之差决定，其他电压源可以工作在任意电压下而不影响变流器输出能力；其交流部分可以连接电网或三相负载，可以工作在整流、逆变、无功吞吐、谐波治理等多种工作状态；在任意工作状态下，任意电压源均具有功率吞吐能力。具体地，当某直流单元内直流电压源的电压始终高于或始终低于其他任意直流电压源时，该直流单元内的双向开关可以用逆导开关器件代替。其中，所述逆导开关器件包括IGBT、逆导型门极换流晶闸管(RC-GCT)、金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或具有反并续流二极管的集成门极换流晶闸管(IGCT)。当滤波器为单L滤波器时，滤波电感一端与各个直流单元中双向开关未与直流电压源连接的一端相连，另一端作为交流侧输出，与三相电网或三相负载相连，三个电感值相等。当滤波器为LC滤波器时，滤波电感一端与各个直流单元中双向开关未与直流电压源连接的一端相连，另一端作为交流侧输出，与三相电网或三相负载相连，三个电感值相等；三个相同滤波电容星形或三角形连接，所形成的星形或三角形结构的三个端口分别连接于三个滤波电感的交流侧。当滤波器为LCL滤波器时，，LCL滤波器直流侧三个端口分别连接于各个直流单元中双向开关未与直流电压源连接的一端，交流侧三个端口作为交流侧输出，与三相电网或三相负载相连。具体地，所述直流电压源为电容、储能电池、太阳能电池阵列或燃料电池。根据滤波器三相中的电流方向，在一个开关周期内可以控制某直流电压源的接入状态，从而控制直流电压源的充放电状态。当电流流入该电压源时，其处在充电状态；当电流流出该电压源时，其处在放电状态。本专利技术中，所述三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器采用SVPWM调制方式或SPWM调制方式。当采用SVPWM时，通过选用不同的矢量合成参考矢量，可以对各个端口的功率进行分配控制；当采用SPWM时，通过选用不同的载波，可以对各个端口的功率进行分配控制。本专利技术提供的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器的有益效果为：传统多端口变流器拓扑固定，兼容性和拓展性不及所述变流器，相比于传统多端口变流器，本专利技术提供的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器具有模块化、可拓展性强的特点，适用范围广；传统多端口变流器只能实现各个端口按照固定比例进行功率分配，相比于传统多端口变流器，本专利技术提供的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器可以对各个端口功率进行独立控制，在任意电压下均可实现每个直流电压源的能量双向流动；多个变流器并联时，需要较多滤波器、控制器以及模块间通讯装置；相比于多个变流器并联，本专利技术提供的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器只需一套滤波器和控制器，不需要模块间通讯装置多个变流器并联时，要求任意直流电压源电压均必须高于交流相电压的最大值；相比于多个变流器并联，本专利技术提供的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器仅要求所有直流源中电压最高者与最低者的电压差大于交流相电压最大值，对其他直流源电压没有要求。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，其特征在于，包括直流部分、滤波器以及交流部分，其中：直流部分包含至少二个并联的直流单元，每个直流单元包含一个直流电压源和三个双向开关，三个双向开关的一端与直流电压源的一端连接，三个双向开关的另一端分别与滤波器靠近直流部分的三个端口相连接，直流电压源的另一端与其他直流单元内的直流电压源相连接；滤波器靠近直流部分的三个端口分别为A、B、C三相，滤波器靠近交流部分的三个端口连接交流部分的三相电网或三相负载。

【技术特征摘要】
1.一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，其特征在于，包括直流部分、滤波器以及交流部分，其中：直流部分包含至少二个并联的直流单元，每个直流单元包含一个直流电压源和三个双向开关，三个双向开关的一端与直流电压源的一端连接，三个双向开关的另一端分别与滤波器靠近直流部分的三个端口相连接，直流电压源的另一端与其他直流单元内的直流电压源相连接；滤波器靠近直流部分的三个端口分别为A、B、C三相，滤波器靠近交流部分的三个端口连接交流部分的三相电网或三相负载。2.如权利要求1所述的可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，其特征在于，当某直流单元内直流电压源的电压始终高于或始终低于其他任意直流电压源时，该直流单元内的双向开关可以用逆导开关器件代替。3.如权利要求2所述的可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，其特征在于，所述逆导开关器件包括IGBT、逆导型门极换流晶闸管、金属-氧化物半导体场效应晶体管或具有反并续流二极管的集成门极换流晶闸管。4.如权利要求1所述的可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器，其特征在于，当滤波器为单L滤波器时，滤波电感一端与各个直流单...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓焰，刘畅，阮杰，李广地，陆翌，杨勇，
申请(专利权)人：浙江大学，国网浙江省电力有限公司，国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：浙江,33