灵活高效的开关串转换器制造技术

一种将AC或DC输入转换成电AC或DC输出的电转换器。一种具有可控电开关的交换电路，用于在输入端子和输出端子之间选择性地交换多个DC电源组(DCB)的连接，从而选择性地将这些DCB连接到电源或电气负载。这些DCB形成为一系列互连的子模块(SM)，每个SM具有一个或多个电能存储元件(ESE)和用于选择性地绕过或连接ESE的开关电路。ESE可以是电容器、电池、超级电容器或它们的组合。通过适当地控制交换电路和SM的开关，例如通过考虑所包含的电开关的停滞时间，转换器可用于DC

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】灵活高效的开关串转换器


[0001]本专利技术涉及电力电气系统领域，更具体地说，本专利技术提供了一种高效率的电转换器拓扑，例如用于来自光伏元件的电功率的DC到AC转换。该转换器拓扑易于与电能存储元件(如电池)集成。

技术介绍

[0002]高效的电转换器例如对于将来自可再生能源(诸如光伏元件或风力涡轮发电机)的电力进行转换是重要的。此外，这种转换器应该是低成本、紧凑和重量轻的。
[0003]例如，将来自光伏元件的DC电压转换为用于施加到AC电网的AC电压通常需要多个转换级，因此通常导致复杂且庞大的设计。将DC输入电压转换为较高AC输出电压的功能通常使用两级转换来实现，其中DC
‑
DC升压级之后是DC
‑
AC转换。两级并网光伏(PV)逆变器(诸如串式和微型逆变器)可以被认为是这种结构的典型应用。

技术实现思路

[0004]因此，根据上述描述，本专利技术的目的是提供一种高效且紧凑且实现简单的电转换器。
[0005]在第一方面，本专利技术提供一种电转换器，其被布置成将输入端子的电AC或DC输入转换成输出端子的电AC或DC输出，
[0006]开关装置，包括多个可控电开关，用于在输入端子和多个DC电源组端子之间并且在输出端子和多个DC电源组端子之间建立可控电连接，
[0007]多个DC电源组，连接到各自的DC电源组端子，其中，多个DC电源组包括各自的多个串联互连的子模块，其中，每个子模块包括一个或多个电能存储元件和包括至少一个可控电开关的开关电路，该可控电开关用于选择性地绕过或连接该电能存储元件，以及
[0008]控制系统，包括处理器，该处理器被配置为：
[0009]执行第一控制算法，第一控制算法用于控制该开关装置以交替方式在用于对多个DC电源组充电和放电的多个状态之间切换，其中，在第一状态下，该开关装置被控制为将输入端子连接到第一DC电源组端子，并且将第二DC电源组端子连接到输出端子，并且
[0010]其中，在第二状态下，该开关装置被控制为将输入端子连接到第二DC电源组端子，并且将第一DC电源组端子连接到输出端子，以及
[0011]执行第二控制算法，第二控制算法用于单独地控制多个DC电源组的子模块的开关电路，以选择性地单独地连接多个DC电源组中的一系列电能存储元件中的一个或多个。
[0012]基本上，所提出的电转换器基于两个关键部分：(i)两串或更多串电能存储元件(ESE)，即DC电源组(DCB)，以及(ii)开关电路，该开关电路可以单独地将这些DCB连接到转换器的输入或输出，其在下文中称为交换电路(SWC)。DCB是一串ESE，其确保转换器中的能量传输。每个组由多个被称为子模块(SM)的基本单元组成，每个子模块包括能量存储元件(ESE)，诸如电容器或电池或类似物，以及开关电路(SC)，开关电路允许ESE绕过或将ESE插
入该电路中。交换电路尤其可以是一组单刀双掷(SPDT)开关，每个DCB一个，但是应该理解，可以采用不同的拓扑来完成这一任务。
[0013]应当理解，如果优选的话，多个DCB可以连接到每个DCB端子。
[0014]转换器通过以下的方式将能量从输入传输到输出：首先(经由SWC)将并联的一个或多个DCB连接到输入、对ESE进行充电，然后将这些DCB连接到转换器的输出并对ESE进行放电。在基本形式下，转换器包括两个DCB，这两个DCB交替连接到输入和输出以对ESE进行充电并然后放电。这允许持续的能量从输入传输到输出。
[0015]这样的电转换器是有利的，因为它提供了高效率，而且，由于它由相当简单的部件形成，所以可以提供紧凑的设计。此外，由于可以接受宽的输入电压范围，该设计提供了高通用性。该拓扑还可以提供DC输出、双电平输出或多电平输出形式的输出电压，这仅取决于控制算法。AC到AC、或DC到AC、或AC到DC可以在没有附加的展开转换器的情况下实现。此外，该拓扑允许电气输入输出隔离，并且具有低EMI特性。特别地，开关装置可以包括开关，以提供正端子和中性/负端子的切换，因此输入端子和输出端子可以完全去耦。
[0016]此外，电转换器的一个重要特征是由于具有多个电能存储元件的子模块而直接集成能量存储。电能存储元件可以实现为诸如转换器结构中的电池单元或模块、超电容器(超级电容器)等。储能产业正以极快的速度增长，并且与风能和太阳能等可再生能源相关的储能产业正变得越来越受欢迎，以补偿可再生能源的波动的发电分布。迅速增长的电动车辆(EV)市场是储能行业的另一个重要驱动力。
[0017]考虑到电池通常需要它们自己的充电/放电电力电子转换器，根据本专利技术的电转换器提供了这些转换器/电池的有效集成，因此提供了改进的效率和较低的成本，诸如对于现有的可再生或EV驱动转换器。
[0018]在下文中，将描述优选特征和实施例。
[0019]其中，第二控制算法可以被布置成用于控制子模块的开关电路，以选择性地(例如交替地)将多个DC电源组中的一系列一个或多个电能存储元件连接，以用于提供来自多个DC电源组的多电平电压输出。
[0020]电转换器可以包括连接到输出端子的展开转换器，以响应于在输出端子处产生的电压而产生正弦电输出。
[0021]第一和第二控制算法优选地布置成响应于输入端子处的电压来控制切换操作。控制算法优选地以更多的输入电压操作，输入电压例如是参考电压或参考电压值、以及与子模块的ESE相关联的电压、还以及输出端子处的电压。特别地，第二控制算法优选地布置成响应于储存在各个ESE中的能量的测量来控制子模块的开关电路的切换操作。特别地，储存在各个电能存储元件中的能量的测量优选地基于跨各个ESE的测量电压。
[0022]第二控制算法可以被布置成响应于存储在各个ESE中的能量的测量来调节子模块的开关电路的切换操作，以便平衡由于各个ESE的容差引起的老化和/或变化。可以是为了平衡每个子模块内或DCB的子模块之间ESE的老化，或平衡所有DCB的老化。
[0023]第二控制算法可以被布置为在向输出端子放电时控制子模块的开关电路的切换操作，以便逐步增加或降低输出端子的电压，从而在输出端子产生多电平输出电压。特别地，这可以与SM中的例如全桥开关拓扑组合，例如利用输出端子处包含电感器的滤波器，以允许消除展开转换器以产生用于许多AC负载的足够的AC电压。
[0024]在一些实施例中，多个DCB中的至少一个DCB的每个子模块，例如转换器的所有DCB，包括用于以全桥拓扑连接电能存储元件的开关电路。可替换地或附加地，该开关电路可以被配置为以半桥拓扑连接电能存储元件。
[0025]特别地，多个DCB的所有子模块优选地可以具有相同的拓扑。
[0026]电转换器可以包括至少3个DCB，例如3～100个DCB，例如3～50个DCB，例如10～50个DCB。DCB被连接到各自的DCB端子。
[0027]至少一个DCB的至少一个SM(例如所有SM)的ESE可以包括电容器。特别地，至少一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电转换器，被布置成将输入端子处的电AC或DC输入转换成输出端子处的电AC或DC输出，开关装置，包括多个可控电开关，用于在所述输入端子和多个DC电源组端子之间、以及在所述输出端子和所述多个DC电源组端子之间建立可控电连接，多个DC电源组，连接到各自的DC电源组端子，其中，多个所述DC电源组包括各自的多个串联互连的子模块，其中，每个子模块包括一个或多个电能存储元件和包括至少一个可控电开关的开关电路，所述可控电开关用于将所述电能存储元件选择性地绕过或连接，以及控制系统，包括处理器，所述处理器被配置成：执行第一控制算法，所述第一控制算法用于控制所述开关装置以交替方式在用于对多个所述DC电源组充电和放电的多个状态之间切换，其中，在第一状态下，所述开关装置被控制以将所述输入端子连接到第一DC电源组端子，并且将第二DC电源组端子连接到所述输出端子，并且其中，在第二状态下，所述开关装置被控制以将所述输入端子连接到所述第二DC电源组端子，并将所述第一DC电源组端子连接到所述输出端子，以及执行第二控制算法，所述第二控制算法用于单独地控制多个所述DC电源组的所述子模块的所述开关电路，以选择性地将多个所述DC电源组中的一系列的一个或多个所述电能存储元件单独地连接。2.根据权利要求1所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成用于控制所述子模块的所述开关电路，以选择性地连接多个所述DC电源组中的一系列的一个或多个所述电能存储元件，以提供来自多个所述DC电源组的多电平电压输出。3.根据权利要求1或2所述的电转换器，包括连接到所述输出端子的展开转换器，以响应于所述输出端子处生成的电压而生成正弦电输出。4.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第一控制算法和所述第二控制算法被布置成响应于所述输入端子处的电压来控制切换操作。5.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成：响应于存储在各个所述电能存储元件中的能量的测量来控制所述子模块的所述开关电路的切换操作。6.根据权利要求5所述的电转换器，其中，存储在各个所述电能存储元件中的能量的所述测量基于跨各个所述电能存储元件的测量电压。7.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成：响应于存储在各个所述电能存储元件中的能量的测量来调节所述子模块的所述开关电路的切换操作，从而平衡由于所述电能存储元件的容差引起的老化和/或变化。8.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述第二控制算法被布置成在向所述输出端子放电时控制所述子模块的所述开关电路的切换操作，以便逐步增加或降低所述输出端子处的电压。9.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组中的至少一个中的每个子模块包括用于以全桥拓扑连接所述电能存储元件的开关电路。10.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组中的至少一个中的每个子模块包括用于以半桥拓扑连接所述电能存储元件的开关电路。
11.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，多个所述DC电源组的所有子模块具有相同的拓扑。12.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，包括至少三个DC电源组，例如3～100个DC电源组，例如3～50个DC电源组，例如10～50个DC电源组。13.根据前述权利要求中任一项所述电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括电容器。14.根据权利要求13所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的每个子模块的所述电能存储元件包括电容器。15.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括电池。16.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，第一DC电源组中的至少一个子模块的所述电能存储元件包括燃料电池。17.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，至少一个所述DC电源组中的至少一个子模块包括包含电容器的电能存储元件，并且第一DC电源组中的至少一个子模块包括包含电池的电能存储元件。18.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述DC电源组各自包括至少三个子模块，例如3～100个子模块，例如3～50个子模块，例如3～20个子模块，例如3～10个子模块。19.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述电能存储元件各自具有1～400V内的电压，例如10～100V、例如20～50V内的电压。20.根据前述权利要求中任一项所述的电转换器，其中，所述DC电源组各自被控制以提供5至16个不同的输出电压电平。21.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：德若，
申请(专利权)人：奥尔堡大学，
类型：发明
国别省市：