一种交直流混合供电电路

1.本发明涉及电力电子技术领域和供电技术领域，具体地，涉及分布式直流电并联、直流电与交流电的耦合与解耦，用于实现一种低成本的交直流混合供电电路。


背景技术：

2.分布式发电是解决能源短缺的一个重要手段，这要求一种有效消纳分布式直流电的办法。直流电存在容量小，电压等级低，传输损耗大，难以实现电压等级灵活转换等问题，因此需要一个合理高效的办法对其进行利用。
3.怎么利用分布式直流电是一个亟待解决的问题，如果为直流电单独铺设供电线路，则会导致巨大的施工成本；学术界目前推崇的办法是利用微网技术，通过dc-dc和dc-ac电路实现，不需要额外铺设线路，但是过多的交直流变换会导致效率的降低。
4.检索文献，尚未发现实现分布式直流电消纳的低成本交直流混合电路的应用实例，目前也没有发现同本发明类似技术的说明或报道，也尚未收集到国内外类似的资料。。


技术实现要素：

5.针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种低成本、可以供多个分布式直流电源与市电混合供电的交直流混合供电电路。
6.本发明提供的交直流混合供电电路，包括：直流电路、交流电路、耦合电路、输电线路以及解耦电路，其中：
7.所述直流电路包括：第一直流电源udc1、第二直流电源udc2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一c
ú
k调节器con1和第二c
ú
k调节器con2；其中：
8.所述第一c
ú
k调节器con1输入侧正极一端与所述第一直流电源udc1正极相连；所述第一c
ú
k调节器con1输入侧负极一端与所述第一直流电源udc1负极相连；所述第一c
ú
k调节器con1输出侧正极一端与所述第一二极管d1正极相连；所述第一c
ú
k调节器con1输出侧负极一端与所述第二c
ú
k调节器con2输出侧负极相连，并连接至所述输电线路；所述第二c
ú
k调节器con2输入侧正极一端与所述第二直流电源udc2正极相连；所述第二c
ú
k调节器con2输入侧负极一端与所述第二直流电源udc2负极相连；所述第二c
ú
k调节器con1输出侧正极一端与所述第二二极管d2正极相连；所述第一二极管d1阴极与所述第二二极管d2阴极相连，并连接至所述耦合电路；通过所述第一c
ú
k调节器和所述第二c
ú
k调节器，将电压大小不一的分布式反接直流电源变成大小接近的正向并联直流电源，得到直流电压并输出至所述耦合电路；
9.所述交流电路包括：交流源uac1、第一电感l1、第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第二电容c2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第一mosfet管us1、第二mosfet管us2、第三mosfet管us3和第四mosfet管us4；其中：
10.所述第三二极管d3、所述第四二极管d4、所述第五二极管d5和所述第六二极管d6构成第一整流器；所述第一mosfet管us1、所述第二mosfet管us2、所述第三mosfet管us3和
所述第四mosfet管us4构成逆变电路；
11.所述交流源uac1一端与所述第一电感l1一端相连；所述交流源uac1另一端、所述第一电容c1一端、所述第一电阻r1一端、所述第四二极管d4阳极和所述第六二极管d6阴极相连；所述第一电感l1另一端、所述第一电容c1另一端、所述第一电阻r1另一端、所述第三二极管d3阳极和所述第五二极管d5阴极连接；所述第三二极管d3阴极、所述第四二极管d4阴极、所述第二电容c2一端、所述第二电阻r2一端、所述第一mosfet管us1漏极和所述第三mosfet管us3漏极相连；所述第五二极管d5阳极、所述第六二极管d6阳极、所述第二电容c2另一端、所述第二电阻r2另一端、所述第二mosfet管us2源极和所述第四mosfet管us4源极相连；所述第一mosfet管us1源极与所述第二mosfet管us2漏极相连，并连接至所述耦合电路；所述第三mosfet管us3源极与所述第四mosfet管us4漏极相连，并连接至所述直流电路与所述输电线路之间；通过所述第一整流器得到正弦半波电压，再通过所述逆变电路的斩波作用，得到高频交流电压并输出至耦合电路；
12.所述耦合电路将所述高频交流电压与所述直流电压耦合，并通过所述输电线路将耦合后的电压传输至用电侧；
13.所述解耦电路将所述耦合后的电压分离成直流电压和高频交流电压单独供电；
14.还包括：整流电路和阻抗电路；所述整流电路分别与所述解耦电路和所述阻抗电路相连；其中：
15.所述整流电路中的第二整流器将高频交流电还原为工频正弦半波电压；
16.所述阻抗电路通过单周期的控制方式将负载变为阻性，并将交流电压转换为电压大小可调的直流电压。
17.可选地，所述耦合电路，包括：第一变压器tr1、第二电感l2和第三电容c3；其中：
18.所述第一变压器tr1原边一端与所述直流电路相连；所述第一变压器tr1原边另一端与所述第三电容c3一端相连，并连接至所述输电线路；所述第三电容c3另一端与所述交流电路相连；所述第一变压器tr1副边两端分别与所述第二电感l2两端相连。
19.可选地，所述输电线路，包括：双绞线；其中：
20.所述双绞线一端分别与所述直流电路和所述耦合电路相连；所述双绞线另一端与所述解耦电路相连。
21.可选地，所述解耦电路，包括：第二变压器tr2、第三电感l3和第四电容c4；其中：
22.所述第二变压器tr2原边一端与所述第四电容c4一端相连，并连接至所述输电线路；所述第二变压器tr2原边另一端与直流负载相连；所述第二变压器tr2副边两端分别与所述第三电感l3两端相连；所述第四电容c4另一端与所述输电线路相连。
23.可选地，所述整流电路，包括：第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10、第五电容c5和第三电阻r3；其中：
24.所述第七二极管d7、所述第八二极管d8、所述第九二极管d9和所述第十二极管d10构成第二整流器；
25.所述第七二极管d7阳极与所述第九二极管d9阴极相连，并连接至所述解耦电路；所述第八二极管d8阳极与所述第十二极管d10阴极相连，并连接至所述解耦电路；所述第七二极管d7阴极、所述第八二极管d8阴极、所述第五电容c5一端和所述第三电阻r3一端相连，并连接至所述阻抗电路；所述第九二极管d9阳极、所述第十二极管d10阳极、所述第五电容
c5另一端和所述第三电阻r3另一端相连，并连接至所述阻抗电路。
26.可选地，所述阻抗电路，包括：第四电感l4、第十一二极管d11、电动势e1和第五mosfet管us5；其中：
27.所述第四电感l4一端、所述第五mosfet管us5漏极和所述第十一二极管d11阳极相连；所述第十一二极管d11阴极与所述电动势e1正极相连；所述电动势e1负极与所述第五mosfet管us5源极相连，并连接至所述整流电路；所述第四电感l4另一端与所述整流电路(6)相连。
28.由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有如下至少一项的有益效果：
29.本发明提供的交直流混合供电电路，通过分布式直流电源与交流电源的耦合和解耦，实现了直流电的交流电共缆输电，同时供电。可以借助原有交流输电线路，不需要额外铺设线路，解决了分布式直流电的消纳问题，成本低，结构简单，减少工程设计和施工的工作量。
30.本发明提供的交直流混合供电电路，通过c
ú
k调节器将大小不一的分布式反接直流电源变成正向的幅值非常接近的直流电源，再通过二极管实现并联供电，二极管可以保证c
ú
k调节器输出电压有些许压差也不会导致环流，解决了分布直流电源合并问题。
31.本发明提供的交直流混合供电电路，耦合电路和解耦电路中变压器和电感的巧妙连接使得变压器与线路相连端的等效电感感值增大，交流电路中的逆变电路对工频交流电经过整流电路产生的正弦半波信号进行斩波，得到高频的交流电，因此电感量和电容量大大下降，电感和电容器件的尺寸也大大下降。
32.本发明提供的交直流混合供电电路，采用单周期的控制原理，使等效负载呈阻性，阻抗反射到交流电源侧依然是阻性，从而获得电源的单位功率因数。
附图说明
33.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
34.图1为本发明一实施例提供的交直流混合供电电路的示意图。
35.图2为本发明一优选实施例提供的交直流混合供电电路的示意图。
具体实施方式
36.下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
37.图1为本发明一实施例提供的交直流混合供电电路的示意图。
38.如图1所示，该实施例提供的交直流混合供电电路，可以包括：直流电路1、交流电路2、耦合电路3、输电线路4以及解耦电路5。其中：
39.直流电路1通过其中的c
ú
k调节器和二极管将电压大小不一的分布式反接直流电源变成大小接近的正向直流并联电源得到直流电压，并输出至耦合电路3；
40.交流电路2通过其中的第一整流器得到正弦半波电压，再通过其中的逆变电路的斩波作用得到高频交流电压，并输出至耦合电路3；
41.耦合电路3将高频交流电压与直流电压耦合，并通过输电线路4将耦合后的电压传输至用电侧，实现高频交流电压和直流电压共缆，共同传输功率较大的直流和交流功率；
42.解耦电路5将耦合后的电压分离成直流电压和高频交流电压单独供电。
43.如图2所示，该实施例提供的交直流混合供电电路，在如图1所示拓扑的基础上，还可以包括：整流电路6和阻抗电路7，整流电路6分别与解耦电路5和阻抗电路7相连；其中：
44.整流电路6中的第二整流器将高频交流电还原为工频正弦半波电压；
45.阻抗电路7通过单周期的控制方式将负载变为阻性，并将交流电压转换为电压大小可调的直流电压。
46.在一优选实施例中，直流电路1，包括：第一直流电源udc1、第二直流电源udc2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一c
ú
k调节器con1和第二c
ú
k调节器con2；其中：
47.第一c
ú
k调节器con1输入侧正极一端与第一直流电源udc1正极相连；第一c
ú
k调节器con1输入侧负极一端与第一直流电源udc1负极相连；第一c
ú
k调节器con1输出侧正极一端与第一二极管d1正极相连；第一c
ú
k调节器con1输出侧负极一端与第二c
ú
k调节器con2输出端负极相连，并连接至输电线路4，形成直流电压源的回线(即直流电源的负极)；第二c
ú
k调节器con2输入侧正极一端与第二直流电源udc2正极相连；第二c
ú
k调节器con2输入侧负极一端与第二直流电源udc2负极相连；第二c
ú
k调节器con1输出侧正极一端与第二二极管d2正极相连；第一二极管d1阴极与第二二极管d2阴极相连，并连接至耦合电路3，用于输出直流电压。
48.在该实施例的一具体应用实例中，由于交流和至直流功率较大，为了实现交直流混合供电，交流电源和直流电源可分别支持电流40a和功率8.0kw，甚至更高；使用的元器件参数具体为：适合高压600v、大电流40a需要。
49.进一步地，第一c
ú
k调节器con1输出侧负极一端与第二c
ú
k调节器con2输出端负极相连，并连接至输电线路4的双绞线。
50.进一步地，第一二极管d1阴极与第二二极管d2阴极相连，并连接至耦合电路3的第一变压器tr1原边一端相连。
51.在一优选实施例中，交流电路2，包括：交流源uac1、第一电感l1、第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1、第二电容c2、第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5、第六二极管d6、第一mosfet管us1、第二mosfet管us2、第三mosfet管us3和第四mosfet管us4；其中：
52.第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和第六二极管d6构成第一整流器；第一mosfet管us1、第二mosfet管us2、第三mosfet管us3和第四mosfet管us4构成逆变电路；
53.第三二极管d3、第四二极管d4、第五二极管d5和第六二极管d6构成整流电路；第一mosfet管us1、第二mosfet管us2、第三mosfet管us3和第四mosfet管us4构成逆变电路；
54.交流源uac1一端与第一电感l1一端相连；交流源uac1另一端、第一电容c1一端、第一电阻r1一端、第四二极管d4阳极和第六二极管d6阴极相连；第一电感l1另一端、第一电容c1另一端、第一电阻r1另一端、第三二极管d3阳极和第五二极管d5阴极连接；第三二极管d3阴极、第四二极管d4阴极、第二电容c2一端、第二电阻r2一端、第一mosfet管us1漏极和第三mosfet管us3漏极相连；第五二极管d5阳极、第六二极管d6阳极、第二电容c2另一端、第二电
阻r2另一端、第二mosfet管us2源极和第四mosfet管us4源极相连；第一mosfet管us1源极与第二mosfet管us2漏极相连，并连接至耦合电路3，用于输出高频交流电压；第三mosfet管us3源极与第四mosfet管us4漏极相连，并连接至直流电路1与输电线路4之间，形成交流电压源的回线(即交流电源的零线)。
55.进一步地，第一mosfet管us1源极与第二mosfet管us2漏极相连，并连接至耦合电路3的第三电容c3另一端相连。
56.进一步地，第三mosfet管us3源极与第四mosfet管us4漏极相连，并连接至直流电路1的第一c
ú
k调节器con1输出侧负极一端与第二c
ú
k调节器con2输出端负极连接端。
57.在一优选实施例中，耦合电路3，包括：第一变压器tr1、第二电感l2和第三电容c3；其中：
58.第一变压器tr1原边一端与直流电路1相连；第一变压器tr1原边另一端与第三电容c3一端相连，并连接至输电线路4；第三电容c3另一端与交流电路2相连；第一变压器tr1副边两端分别与第二电感l2两端相连。
59.进一步地，第一变压器tr1原边一端与直流电路1的第一二极管d1阴极与第二二极管d2阴极连接段相连。
60.进一步地，第一变压器tr1原边另一端与第三电容c3一端相连，并连接至输电线路4的双绞线。
61.进一步地，第三电容c3另一端与交流电路2的第一mosfet管us1源极与第二mosfet管us2漏极的连接端相连。
62.在一优选实施例中，输电线路4，包括：双绞线；其中：
63.双绞线一端分别与直流电路1和耦合电路3相连；双绞线另一端与解耦电路5相连。
64.进一步地，双绞线一端分别与直流电路1的第一c
ú
k调节器con1输出侧负极一端与第二c
ú
k调节器con2输出端负极连接端和耦合电路3的第一变压器tr1原边另一端与第三电容c3一端连接端相连。
65.进一步地，双绞线另一端分别与解耦电路5的第二变压器tr2原边一端与第四电容c4一端连接端和第四电容c4另一端相连。
66.在一优选实施例中，解耦电路5，包括：第二变压器tr2、第三电感l3和第四电容c4；其中：
67.第二变压器tr2原边一端与第四电容c4一端相连，形成交流输出端acl1，并连接至输电线路4；第二变压器tr2原边另一端作为直流输出的正极性端dcp1与直流负载相连；第二变压器tr2副边两端分别与第三电感l3两端相连；第四电容c4另一端与输电线路4相连，形成交流电源输出端acn2。acp2为单相交流火线，dcn1为单相交流零线。
68.在一优选实施例中，整流电路6，包括：第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9、第十二极管d10、第五电容c5和第三电阻r3；其中：
69.第七二极管d7、第八二极管d8、第九二极管d9和第十二极管d10构成第二整流器；
70.第七二极管d7阳极与第九二极管d9阴极相连，并连接至解耦电路5；第八二极管d8阳极与第十二极管d10阴极相连，并连接至解耦电路5；第七二极管d7阴极、第八二极管d8阴极、第五电容c5一端和第三电阻r3一端相连，并连接至阻抗电路7；第九二极管d9阳极、第十二极管d10阳极、第五电容c5另一端和第三电阻r3另一端相连，并连接至阻抗电路7。
71.进一步地，第七二极管d7阳极与第九二极管d9阴极相连，并连接至解耦电路5的第四电容c4一端。
72.进一步地，第八二极管d8阳极与第十二极管d10阴极相连，并连接至解耦电路5的第四电容c4另一端。
73.进一步地，第七二极管d7阴极、第八二极管d8阴极、第五电容c5一端和第三电阻r3一端相连，并连接至阻抗电路7的第四电感l4。
74.进一步地，第九二极管d9阳极、第十二极管d10阳极、第五电容c5另一端和第三电阻r3另一端相连，并连接至阻抗电路7的电动势e1负极与第五mosfet管us5源极连接端。
75.在一优选实施例中，阻抗电路7，包括：第四电感l4、第十一二极管d11、电动势e1和第五mosfet管us5；其中：
76.第四电感l4一端、第五mosfet管us5漏极和第十一二极管d11阳极相连；第十一二极管d11阴极与电动势e1正极相连；电动势e1负极与第五mosfet管us5源极相连，并连接至整流电路6；第四电感l4另一端与整流电路6相连。
77.进一步地，电动势e1负极与第五mosfet管us5源极相连，并连接至整流电路6的第九二极管d9阳极、第十二极管d10阳极、第五电容c5另一端和第三电阻r3另一端连接端。
78.进一步地，第四电感l4另一端与整流电路6的第七二极管d7阴极、第八二极管d8阴极、第五电容c5一端和第三电阻r3一端连接端。
79.图2中，dcp1、dcn1为对应输入侧分布直流电路的一组输出直流电压正极与负极；dcp2、dcn2：为对应输入侧交流电路的一组输出直流电压正极与负极，整流电路6与阻抗电路7的功能是将由输入侧低频交流电路传输过来的高频交流电压转成可以利用的直流电压，标记为dcp2、dcn2；
80.本发明上述实施例提供的交直流混合供电电路，分布直流电源与交流电源共缆输电的耦合和解耦，解决消纳问题，成本低，结构简单；解决分布直流电源合并问题；变压器与高频斩波，电感量和电容量大大下降；阻抗反射到交流电源侧，获得单位功率因数。
81.在本发明上述实施例中：
82.直流电路1：采用c
ú
k调节器将大小不一的分布式反接直流电源(80-600v)变成正向的幅值接近的直流电源(100v)，再通过二极管实现并联供电，二极管可以保证c
ú
k调节器输出电压有些许压差也不会导致环流。
83.交流电路2：c1为小电容，对交流电源起滤波作用，二极管d3～d6四个二极管构成第一整流器，使交流电变成正弦半波信号，便于后面的逆变电路斩波，us1-us4构成逆变电路。
84.耦合电路3：变压器tr1原边串联在电路中，副边接一个小电感，原副边线圈匝数之比为n(》1),原边等效电感为n2*l2,因此该种方法减小了电感尺寸，电感l2用来隔交传直，电容c3用来隔直传交，避免交流电进直流电源，也避免直流电进交流电源。
85.输电线路4：通过输电线t1l1和输电线t1l2形成一对双绞线，构成输电线路。
86.解耦电路5：变压器tr2原边串联在电路中，副边接一个小电感，原副边线圈匝数之比为n(》1),原边等效电感为n2*l3,因此该种方法减小了电感尺寸，电感l3用来隔交传直，电容c4用来隔直传交，避免交流电进直流电源，也避免直流电进交流电源。
87.整流电路6：二极管d7～d10构成实施例中的第二整流器，将高频交流电还原为工
频正弦半波电压。
88.阻抗电路7：实施例中的阻抗电路通过单周期的控制方式将负载变为阻性，将交流电压变成电压大小可调的直流电压，给后级的家庭直流设备供电。
89.在本发明部分实施例中，各电子元件参数可以选择如下：
90.交流电压源：50hz/220v；
91.分布式直流电压源udc1、udc2：80v～600v；
92.c
ú
k调节器：即c
ú
k dc-dc变换器；
93.二极管d1～d11：反向快速恢复二极管；
94.电感l1：10μh；电感l2：1mh；
95.电感l3：1mh；电感l4：0.5mh；
96.电容c1：0.22μf；电容c2：0.47μf；
97.电容c3：1.0μf；电容c4：1μf；
98.电容c5：10μf；
99.变压器tr1、tr2：变比为10：1；
100.输电线t1l1、t1l2：10mm2的导线；
101.n-mosfet管us1～us4：25a@85℃，650v。
102.mosfet管us5：25a@85℃，650v。
103.本发明上述实施例提供了一种结合分布直流电源合并、直流电和交流电耦合与解耦结构、减小无源器件尺寸技术的交直流混合供电电路。其中，直流电路通过其c
ú
k调节器将电压大小不一的分布式反接直流电源变换成大小接近的正向直流并联电源，交流电路通过其第一整流器得到正弦半波电压，再通过其逆变电路的斩波作用得到高频交流电压，耦合电路将高频交流电压与直流电压耦合，输电线路将耦合后的电压传输至用电侧，解耦电路将耦合后的电压分离成直流电压和高频交流电压单独供电。本发明通过合理设计，使得一种交直流混合供电电路具有交直流混合供电的功能，不需要额外的输电线路，可以借助原有的交流输电线路，不需要大电感，具有改造成本低等优点。可以应用于交直流混合供电，具有结构简单、可靠性好和成本低的优点。
104.本发明上述实施例中未尽事宜均为本领域公知技术。
105.以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。