一种可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向DC/AC多端口变流器的制作方法

本发明属于电力电子系统技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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。

本发明的技术方案为：

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。

本发明中，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。

本发明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，本发明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，本发明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，本发明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，本发明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发明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发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是所述可拓展直流端口数目的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器的拓扑示意图；

图2是用逆导开关器件代替双向开关后的拓扑示意图；

图3是滤波器为lc滤波器的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器的拓扑示意图；

图4是滤波器为lcl滤波器的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器的拓扑示意图；

图5(a)～(c)是三种双向开关结构的示意图；

图6是两个直流源时svpwm调制示意图；

图7是两个直流源时spwm调制示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

参见图1，本法实施例提供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。

在一个实施方式中，滤波器为单l滤波器。如图1所示，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。

在另外一个实施方式中，滤波器可以为lc滤波器。如图3所示，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。

在另外一个实施方式中，滤波器可以为lcl滤波器。如图4所示，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。

在另外一个实施方式中，如图2所示，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，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。

本发明中，双向开关可以为如图5(a)～图5(c)所示的3种形式的双向开关，在具体实施时，可以根据需求选择任意几种双向开关。

本发明提供的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器采用svpwm调制方式或spwm调制方式。

下面以两个并联的直流单元拓扑的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器为例，阐述svwpm调制模式下工作原理。

当直流部分的直流单元数为2，即有两个直流电压源时，滤波器直流侧三个端口各有三种可能的电压情况，因此一共有3³＝27种开关状态。每种开关状态对滤波器的三个端口产生一种电压状态。与普通矢量调制方式类似，此电压状态可以用矢量表示，因此共有27个矢量，其中包括3个零矢量和24个非零矢量。其矢量空间如图6所示。

在任意时刻，由于三相电流不同，上述27个矢量作用时，两个直流源的功率不同。矢量作用时，若电流流入某电压源，则该电压源处在充电状态，若电流流出某电压源，则该电压源处在放电状态。所有27个矢量在给定电流方向的情况下，均各自对应不同的直流源功率。

假设当前时刻，目标参考矢量uref的位置如图6所示。通过从27个矢量中，选择合适、恰当的矢量合成目标参考矢量，即可控制直流侧各个电压源的功率。

下面以两个并联的直流单元拓扑的三相非隔离式双向dc/ac多端口变流器为例，阐述spwm调制方式下工作原理。根据需要调整载波的幅值，可以控制各个直流源的功率。

为了便于说明，不妨假设直流侧两个直流源电压分别为uh和ul。其调制波和载波如图7所示。载波共有三种，幅度范围分别为-1～1，-1～2ul/uh-1，2ul/uh-1～1，分别对应滤波器直流侧电压切换0-uh、0-ul和uh-ul。

根据当前调制波瞬时值与当前电流方向，选择合适的载波，即可控制各直流源的功率。例如，希望uh充电，则当该相电流方向为流向直流源时，选择0-uh和uh-ul载波，从而使uh接入该相，对uh充电；当该相电流方向为流向交流侧时，选择0-ul载波，从而避免uh接入该相。

上述该三相非隔离式双向dc/ac多端口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，且直流源工作电压范围广，功率调节范围广，具有模块化、可拓展的特点，控制简单，具有较强实用性。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。