CN112787521B - 功率变换装置及供电*** - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种功率变换装置及供电***，所述功率变换装置包括：星/三角切换单元、第一功率变换单元、第二功率变换单元、第三功率变换单元以及控制器；第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的交流端通过星/三角切换单元连接三相交流端，第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的直流端与直流供电端连接；其中，控制器用于根据反映直流供电端电压的信号控制星/三角切换单元，星/三角切换单元用于形成三相交流端与第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元之间的星形连接或者三角形连接，实现宽范围的直流电压输出。

Description

功率变换装置及供电***
技术领域
本申请涉及电子技术，尤其涉及一种功率变换装置及供电***。
背景技术
随着分布式发电技术的进步和直流用电设备的日益增多，对于低压直流 配电的需求日益上升，传统低压直流配电***中采用工频隔离变压器的低压 直流配电方式，存在输电成本高、损耗大、轻载损耗高以及体积重量大等缺 陷，成为实现高功率密度和高效率智能电网的瓶颈之一。
现有技术中，通过采用高频隔离的电力电子变压器(Power ElectronicTransformer，简称：PET)替换传统的工频隔离变压器。现有的PET通常是采 用两级变流器，第一级采用输入级联的模块化AC/DC变换器，将中压交流电 转换成多个中间直流电，第二级DC/DC变换器将中间直流电转换为低压直流 电，并进行高频隔离，并联输出低压直流。然而，由于中间直流电压的调整 范围窄以及第二级变换器的变电压增益能力有限，现有的PET的直流电压输 出范围比较有限。
针对电动汽车、储能设备、光伏设备等电压变化范围较宽的大功率负载 或发电设备，现有的低压直流配电***通过PET构建一条低压直流母线，并 增加一级与负载对应的DC/DC变换器，来满足不同的直流负载或发电设备的 配置要求。
然而，现有的低压直流供电***架构中，由于需要增加一级DC/DC变换 器，存在工作效率低、***复杂度高和成本增加的问题。
发明内容
本申请提供一种功率变换装置及供电***，拓宽了直流电压输出的范围， 实现宽范围的直流输出。
根据本申请的第一方面，提供一种功率变换装置，包括：星/三角切换单 元、第一功率变换单元、第二功率变换单元、第三功率变换单元以及控制器；
所述第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的交 流端，通过所述星/三角切换单元连接三相交流端，所述第一功率变换单元、 第二功率变换单元以及第三功率变换单元的直流端与直流供电端连接；
其中，所述控制器用于根据反映直流供电端电压的信号控制所述星/三角 切换单元，所述星/三角切换单元用于形成所述三相交流端与所述第一功率变 换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元之间的星形连接或者三角 形连接。
根据本申请的第二方面，提供一种供电***，包括本申请第一方面及第 一方面各种实施例中任一所述的功率变换装置，其中，所述功率变换装置的 交流端通过滤波器或者直接连接电网，直流供电端连接负载或者发电设备。
本申请提供一种功率变换装置及供电***，所述功率变换装置包括：星/ 三角切换单元、第一功率变换单元、第二功率变换单元、第三功率变换单元 以及控制器；第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元 的交流端通过星/三角切换单元连接三相交流端，第一功率变换单元、第二功 率变换单元以及第三功率变换单元的直流端与直流供电端连接；其中，控制 器用于根据反映直流供电端电压的信号控制星/三角切换单元，星/三角切换单 元用于形成三相交流端与第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功 率变换单元之间的星形连接或者三角形连接，拓宽了直流电压输出的范围， 实现宽范围的直流输出。
附图说明
为了更清楚地说明本申请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 描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不 付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的一种功率变换装置结构示意图；
图2是本申请实施例提供的一种星/三角切换单元的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的一种功率变换装置的控制条件的划分示例；
图4a是本申请实施例提供的一种第一区域条件示意图；
图4b是本申请实施例提供的一种第二区域条件示意图；
图4c是本申请实施例提供的一种第三区域条件示意图；
图5是本申请实施例提供的一种功率变换装置的控制条件的划分示例；
图6a是本申请实施例提供的一种第四区域条件示意图；
图6b是本申请实施例提供的一种第五区域条件示意图；
图6c是本申请实施例提供的一种第六区域条件示意图；
图7是本申请实施例提供的一种功率变换单元结构示意图；
图8是本身实施例提供的另一种功率变换单元结构示意图；
图9是本申请实施例提供的一种对中间直流母线进行电压调节的示例；
图10a是本申请实施例提供的一种根据直流端口电压范围和隔离DC/DC 子单元增益调整DC-link电压的示意图；
图10b是本申请实施例提供的一种根据直流端口电压范围和DC-link电 压范围调整隔离DC/DC子单元电压变换增益的示意图；
图11是本申请实施例提供的一种隔离DC/DC子单元结构示意图；
图12是本申请实施例提供的一种功率变换装置的第一功率变换单元电 路示例；
图13a是本申请实施例提供的一种与表二对应的工作区域A1的示意图；
图13b是本申请实施例提供的一种与表二对应的工作区域A2的示意图；
图14a是本申请实施例提供的一种与表四对应的工作区域B1至B4的示 意图；
图14b是本申请实施例提供的一种与表四对应的工作区域B1、B2、B4 的示意图；
图15a是本身实施例提供的一种对称调制方式示例；
图15b是本申请实施例提供的一种不对称调制方式示例。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申 请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。 基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下 所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第 一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在 本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另 有明确具体的限定。
应当理解，在本申请中，“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意 图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列单元的***、产品或设备不 必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产 品或设备固有的其它单元。
应当理解，在本申请中，“多个”是指两个或两个以上。“包括A、B 或C”是指包括A、B、C三者之一。
应当理解，在本申请中，“与A对应的B”、“与A相对应的B”、“A 与B相对应”或者“B与A相对应”，表示B与A的形状或功能具有对应关 系，根据A可以确定B。根据A确定B并不意味着仅仅根据A确定B，还可 以根据A和/或其他信息确定B。
应当理解，在本申请中，“AC/DC子单元”是指用于将交流AC信号转 换为直流DC信号、或者将直流DC信号转换为交流AC信号的子单元或子单 元。“隔离DC/DC子单元”是指有隔离的用于将直流DC信号转换为另一直 流DC信号的子单元。
应当理解，在本申请中某个元件的电压、某个元件的电压信号在用于比 较时，都可以理解为是某个元件的电压值。同理，某个元件的电流、某个元 件的电流信号在用于比较时，也都可以理解为是某个元件的电流值。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。所述实施例的 示例在附图中示出，其中自始至终以相同或类似的标号表示相同或类似的组 件或具有相同或类似功能的组件。下面这几个具体的实施例可以相互结合， 对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
参见图1，是本申请实施例提供的一种功率变换装置结构示意图。如图1 所示的功率变换装置中，包括：星/三角切换单元、第一功率变换单元、第二 功率变换单元、第三功率变换单元以及控制器(图中未示出)。第一功率变换 单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的交流端，通过星/三角切换 单元连接三相交流端，所述第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三 功率变换单元的直流端与直流供电端连接。
其中，所述控制器用于根据反映直流供电端电压的信号控制所述星/三角 切换单元，所述星/三角切换单元用于形成所述三相交流端与所述第一功率变 换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元之间的星形连接或者三角 形连接。
本实施例中，控制器根据反映直流供电端电压的信号，确定直流输出电 压的需求，从而对星三角切换单元进行切换，以实现星形连接和三角形连接 之间的切换，实现宽范围的直流电压输出，可以与电压变化范围宽的直流负 载以及发电设备实现直接连接，无需增加多余转换环节，具备功率密度高， 成本低，效率高等优点，实现中高压交直流电压转换。
在图1所示实施例中，星/三角切换单元的结构可有多种，例如可以有多 个开关器组成。参见图2，是本申请实施例提供的一种星/三角切换单元的结 构示意图。图2所示的星/三角切换单元包括：第一角接开关器SΔ1、第二角 接开关器SΔ2、第三角接开关器SΔ3、第一星接开关器SY1、第二星接开关器 SY2以及第三星接开关器SY3。其中，三相交流端的第一相线A与第一功率变 换单元的第一交流端A’连接，并通过第一角接开关器SΔ1与第三功率变换单 元的第二交流端c’连接。三相交流端的第二相线B与第二功率变换单元的 第一交流端B’连接，并通过第二角接开关器SΔ2与所述第一功率变换单元的 第二交流端a’连接。三相交流端的第三相线C与第三功率变换单元的第一 交流端C’连接，并通过第三角接开关器SΔ3与第二功率变换单元的第二交流 端b’连接。其中，第一功率变换单元的第二交流端a’通过第二星接开关器 SY2连接至中性结点N，第二功率变换单元的第二交流端b’通过第三星接开 关器SY3连接至中性结点N，第三功率变换单元的第二交流端c’通过第一星 接开关器SY1连接至中性结点N。需要说明的是，星/三角切换单元的结构不 限于此，还可以是其他的连接方式。
以图2所示的星/三角切换单元为例，控制器控制星/三角切换单元的第一 角接开关器SΔ1、第二角接开关器SΔ2以及第三角接开关器SΔ3闭合，且控制 第一星接开关器SY1、第二星接开关器SY2以及第三星接开关器SY3断开时， 切换至三角形连接。反之，控制器控制星/三角切换单元的第一星接开关器SY1、 第二星接开关器SY2以及第三星接开关器SY3闭合，且控制第一角接开关器SΔ1、 第二角接开关器SΔ2以及第三角接开关器SΔ3断开时，切换至星形连接。
其中，对星/三角切换单元进行切换时，当切换为采用星形连接时，第一 功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的输入电压，分别 对应三相交流输入的相电压。而当切换为采用三角形连接时，第一功率变换 单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的输入电压，分别对应三相 交流输入的线电压。星形连接与三角形连接的切换能够实现对于三相交流输 入电压的工作范围的拓宽。
在上述实施例中，反映直流供电端电压的信号例如可以是采样得到的直 流供电端电压，或者是预设的直流供电端电压。预设的直流供电端电压例如 是根据用户的操作设定，对直流供电端设置的电压。为了对控制器如何根据 反映直流供电端电压的信号进行控制进行解释说明，下面各种实施例中都以 直流供电端电压作为反映直流供电端电压的信号，进行举例。而对于预设的 直流供电端电压也可以采用同样的方式进行控制，下面不再赘述。
下面结合图3至图6c、以及具体实施例，对控制器对星/三角切换单元的 控制方式进行说明，图中以圆圈内数字标号示意各区域条件对应的取值范围。
参见图3，是本申请实施例提供的一种功率变换装置的控制条件的划分 示例。如图3所示：
第一区域条件为直流供电端电压大于或等于第一电压阈值、且小于第二 电压阈值，即：第一电压阈值(voYmin)≤直流供电端电压<第二电压阈值(voΔmin)。参见图4a，是本申请实施例提供的一种第一区域条件示意图。控制器 具体用于在确定直流供电端电压电压符合第一区域条件时，控制星/三角切换 单元形成星形连接。
第二区域条件为直流供电端电压大于或等于第二电压阈值、且小于或等 于最大电压阈值，并且直流供电端的功率采样值小于或等于第一功率阈值， 即：第二电压阈值(voΔmin)≤直流供电端电压≤最大电压阈值(vomax)，并且 直流供电端功率≤第一功率阈值(PYmax)。参见图4b，是本申请实施例提供 的一种第二区域条件示意图。控制器用于在确定直流供电端电压电压符合第 二区域条件时，控制星/三角切换单元形成三角形连接或者星形连接。
第三区域条件为直流供电端电压大于或等于第三电压阈值、且小于或等 于最大电压阈值，并且直流供电端的功率计算值大于第一功率阈值、且小于 或等于第二功率阈值，即：第三电压阈值(voYPmax)≤直流供电端电压≤最大 电压阈值(vomax)，并且第一功率阈值(PYmax)<直流供电端功率≤第二功率 阈值(PΔmax)。参见图4c，是本申请实施例提供的一种第三区域条件示意图。 控制器用于在确定直流供电端电压符合第三区域条件时，控制星/三角切换单 元形成三角形连接。
其中，在一些实施例中，第一电压阈值(voYmin)为预先测量得到的星形 连接下直流供电端的最小直流输出电压值；第二电压阈值(voΔmin)为预先测 量得到的三角形连接下直流供电端的最小直流输出电压值；最大电压阈值 (vomax)为预先测量得到的直流供电端的最大直流输出电压值；第一功率阈 值(PYmax)为预先测量得到的星形连接下直流供电端的最大输出功率值；第 三电压阈值(voYPmax)为预先测量得到的星形连接下直流供电端的输出电流最 大时、与最大输出功率对应的直流输出电压值；第二功率阈值(PΔmax)为预 先测量得到的三角形连接下直流供电端的最大输出功率值。需要说明的是， 上述的各个阈值还可以根据变换器参数预先直接设定或者根据人为需要进行 设定。
第二功率阈值(PΔmax)为三角形连接下最大输出功率即为***最大输出 功率，并且由于通常电压和电流应力不会同时达到并且电压和电流应力通常 裕度大于热应力，第二功率阈值≤最大电压阈值·最大直流输出电流值。并且， 在下面具有直流母线与隔离DC/DC变换单元的实施例中，当DC-Link电压与 隔离DC/DC变换单元调整范围较宽时，第二电压阈值(voΔmin)≤第三电压 阈值(voYPmax)。在一些实施例中，第一功率变换单元、第二功率变换单元、 第三功率变换单元中可以包括升压型的AC/DC变换子单元。
参见图5，是本申请实施例提供的另一种功率变换装置的控制条件的划 分示例。如图5所示：
第四区域条件为直流供电端电压大于或等于第一电压阈值、且小于第二 电压阈值，并且直流供电端的功率计算值小于或等于第一功率阈值，即：第 一电压阈值(voYmin)≤直流供电端电压<第二电压阈值(voΔmin)，并且直流供 电端功率≤第一功率阈值(PYmax)。具体参见图6a，是本申请实施例提供的 一种第四区域条件示意图。控制器，具体用于在确定直流供电端电压符合第 四区域条件时，控制星/三角切换单元形成星形连接。
第五区域条件为直流供电端电压大于或等于第二电压阈值、且小于或等 于最大电压阈值，并且直流供电端的功率计算值小于或等于第一功率阈值， 即：第二电压阈值(voΔmin)≤直流供电端电压≤最大电压阈值(vomax)，并且 直流供电端功率≤第一功率阈值(PYmax)。具体参见图6b，是本申请实施例 提供的一种第五区域条件示意图。控制器，还用于在确定直流供电端电压符 合第五区域条件时，控制星/三角切换单元形成三角形连接或者星形连接。
第六区域条件为直流供电端电压大于或等于第二电压阈值、且小于或等 于最大电压阈值，并且直流供电端的功率计算值大于第一功率阈值、且小于 或等于第二功率阈值，即：第二电压阈值(voΔmin)≤直流供电端电压≤最大 电压阈值(vomax)，并且第一功率阈值(PYmax)<直流供电端功率≤第二功率 阈值(PΔmax)。参见图6c，是本申请实施例提供的一种第六区域条件示意图。 控制器，还用于在确定直流供电端电压符合第六区域条件时，控制所述星/三 角切换单元形成三角形连接。
其中，在一些实施例中，第一电压阈值(voYmin)为预先测量得到的星形 连接下直流供电端的最小直流输出电压值；第二电压阈值(voΔmin)为预先测 量得到的三角形连接下直流供电端的最小直流输出电压值；最大电压阈值 (vomax)为预先测量得到的直流供电端的最大直流输出电压值；第一功率阈 值(PYmax)为预先测量得到的星形连接下直流供电端的最大输出功率值；第 二功率阈值为预先测量得到的三角形连接下直流供电端的最大输出功率值。 需要说明的是，上述的各个阈值同样还可以根据变换器参数预先直接设定或者根据人为需要进行设定。
在下面具有直流母线与隔离DC/DC变换单元的实施例中，当DC-Link 电压与隔离DC/DC变换单元调整范围较窄时，第三电压阈值(voYPmax)≤第 二电压阈值(voΔmin)。在一些实施例中，第一功率变换单元、第二功率变换 单元、第三功率变换单元中可以包括升压型的AC/DC变换子单元。
在上述图3和图5所示的一些实施例中，控制器，可以具体用于在确定 直流供电端电压符合第二区域条件或者第五区域条件时，控制所述星/三角切 换单元形成三角形连接或者星形连接，以使所述功率变换装置的效率达到预 设范围。应当理解的是，功率变换装置的效率＝直流供电端功率/交流端功率。 具体可根据实际的效率要求，决定连接方式，并且在符合第二区域条件或者 第五区域条件而采用星形连接工作时，最大输出功率将受限并且输出功率≤ 第一功率阈值(PYmax)。
在上述各种实施例的基础上，控制器还可以用于根据反映直流供电端电 压的信号控制第一功率变换单元的增益、第二功率变换单元的增益以及第三 功率变换单元的增益，从而可以改变直流供电端的电压范围。
在一些实施例中，第一功率变换单元、第二功率变换单元、第三功率变 换单元可以是相同的电路结构，其电路结构可以有多种，下面对第一功率变 换单元、第二功率变换单元、第三功率变换单元的结构进行举例说明。
参见图7，是本申请实施例提供的一种功率变换单元结构示意图。图7 所示功率变换单元的结构，可以是第一功率变换单元、第二功率变换单元和 第三功率变换单元的结构。如图7所示，第一功率变换单元、第二功率变换 单元、第三功率变换单元分别都包括：AC/DC子单元、中间直流母线 (DC-Link)、隔离DC/DC子单元。下面以图7所示结构为第一功率变换单元 为例进行说明。
继续参见图7，AC/DC子单元的交流端通过星/三角切换单元连接三相交 流端，AC/DC子单元包含至少一直流端，直流端构成中间直流母线，AC/DC 子单元通过中间直流母线连接隔离DC/DC子变换单元的第一端，隔离DC/DC 子单元的第二端与直流供电端连接。
通过结合星/三角切换单元切换、AC/DC子单元增益调节和隔离DC/DC 子单元增益调节，可以对DC-Link电压(Vdc1、Vdc2、…、Vdcn)进行调整， 其调整最大范围由开关器的电压应力、AC/DC子单元的类型以及三相交流输 入电压的范围共同决定。以AC/DC子单元包含n个DC-Link端口为例：AC/DC 子单元为升压型拓扑时，DC-Link电压的下限为第一功率变换单元、第二功 率变换单元和第三功率变换单元的输入电压峰值的n分之一，上限为开关器耐压值；AC/DC子单元为降压型拓扑时，DC-Link电压的上限为第一功率变 换单元、第二功率变换单元和第三功率变换单元的输入电压峰值的n分之一。 DC-link作为连接AC/DC子单元与隔离DC/DC子单元的中间环节，对其电压 进行调整，并且结合星/三角切换单元切换和隔离DC/DC子单元增益调节， 可以拓宽直流端口电压范围。
对隔离DC/DC子单元的电压变换增益进行调节，需要根据当前DC-Link 电压与直流端口电压，来确定其增益。由于工程应用中，升压型AC/DC子单 元较多，后续实施例均以AC/DC子单元为升压型电路进行举例说明。
在图7所示的实施例中，控制器可以根据直流输出电压的需求，对星/三 角切换单元进行切换，结合DC-Link电压调整以及隔离DC/DC变换子单元的 电压变换增益调节，实现宽范围的直流电压输出，与电压变化范围宽的直流 负载以及发电设备能够实现直接连接，无需增加多余转换环节，具备功率密 度高，成本低，效率高等优点。
图7所示的AC/DC子单元和隔离DC/DC子单元的个数可以是一个或者 多个。参见图8，是本身实施例提供的另一种功率变换单元结构示意图。其 中，第一功率变换单元、所述第二功率变换单元、所述第三功率变换单元分 别包括多个AC/DC子单元和多个隔离DC/DC子单元。其中，如图所示，AC/DC 子单元和隔离DC/DC子单元的数量相同且一一对应。多个AC/DC子单元的 交流端彼此串联连接，且各AC/DC子单元的直流端分别与隔离DC/DC子单元的第一端一一对应的连接。可以理解为，每个AC/DC子单元的直流端，与 其对应的隔离DC/DC子单元级联。
在一些实施例中，例如第一功率变换单元、第二功率变换单元和第三功 率变换单元为图7或图8所示的结构，控制器所获取的反映直流供电端电压 的信号，例如还可以是中间直流母线电压。
在图7或图8所示实施例的基础上，第一功率变换单元、第二功率变换 单元、第三功率变换单元中所有所述隔离DC/DC子单元的第二端相互之间串 联或并联至直流供电端。每一相的隔离DC/DC子单元的直流端口连接方式包 括但不限于：
1)全部并联连接，并与其它两相的直流端口进行串联或者并联连接；
2)全部串联连接，并与其它两相的直流端口进行串联或者并联连接；
3)将每一相的n个子单元平均分成k个组，每一个组内的单元串联连接 之后与其他组进行并联连接或者每一个组内的单元并联连接之后与其他组进 行串联连接，构成的直流端口与其他两相的直流端口进行串联或者并联连接；
4)将每一相的n个子单元平均分成k个组，每一个组内的单元串联连接 之后与其他相的组进行串联或者并联，或者每一个组内的单元并联连接之后 与其他相的组进行串联或者并联，构成的直流端口与剩下的其他直流端口进 行串联或者并联连接。
在上述图7或者图8所示的各种实施例的基础上，控制器还用于根据反 映直流供电端电压的信号，调节AC/DC子单元的增益或隔离DC/DC子单元 的增益，调整DC-link电压的范围，拓宽直流端口电压范围。参见图9，是本 申请实施例提供的一种对DC-link电压进行调节的示例。其中，所采用的 AC/DC子单元为升压型电路，星/三角切换单元的结构不限，隔离DC/DC子 单元的结构不限。图9所示vomin和vomax为星形或者三角形连接情况下最低与最高直流输出电压，vdcmin和vdcmax为星形或者三角形连接情况下最低与最高 的DC-Link电压。隔离DC/DC子单元的电压变换增益固定为r时，vo表示直 流输出电压，vdc表示DC-Link电压。根据直流输出电压，在确定的连接方式 下，DC-Link电压调整区域如图9所示的斜线。
在图9中，星/三角切换单元在星形连接方式下，DC-Link电压调整范围 为：[vdcYmin，vdcmax]，其中为vdcmax是由开关应力决定，
Figure BDA0002265544910000101
Vgrms为电网相电压有效值，n为每一相的DC-Link数目。星/三角切换单元在三角 形连接方式下，DC-Link电压调整范围为：[vdcΔmin,vdcmax],其中，vdcmax是由 开关应力决定，
Figure BDA0002265544910000102
并且功率拓宽至星形连接方式下的
Figure BDA0002265544910000103
倍。
将星/三角切换单元的切换，与图9所示实施例中的DC-Link电压调整相 结合，可以拓宽DC-Link电压工作范围，进一步拓宽直流端口电压和功率的 范围。并且，通过固定隔离DC/DC子单元的电压变换增益，还可以提高如 DC/DC子单元为谐振变换器拓扑时的工作效率。
需要说明：每一个隔离DC/DC子单元的第二端端口电压等于DC-link电 压乘以隔离DC/DC子单元的电压变换增益。
下面对星三角切换单元的切换结合调整DC-Link电压和调节隔离DC/DC 子单元电压变换增益，拓宽直流端口电压范围进行举例。参见图10a，是本 申请实施例提供的一种根据直流端口电压范围和隔离DC/DC子单元增益调整DC-link电压的示意图。参见图10b，是本申请实施例提供的一种根据直流端 口电压范围和DC-link电压范围调整隔离DC/DC子单元电压变换增益的示意 图。由星三角切换单元进行切换结合调整DC-Link电压，可以将DC-Link电 压调整范围拓宽为图10b所示的：[vdcmin,vdcmax]。如果隔离DC/DC子单元的 电压变换增益(GainDC/DC)取固定增益r，则直流端口电压范围为[rvdcmin, rvdcmax]。而进一步将隔离DC/DC子单元的电压变换增益在[rmin,rmax]范围内调 节时，可以将直流输出电压范围拓宽至[vomin,vomax]＝[rminvdcmin,rmaxvdcmax]， 由于隔离DC/DC子单元的电压变换增益为[rmin,rmax]，显然
Figure RE-GDA0002367881900000111
Figure RE-GDA0002367881900000112
因此将星/三角切换单元进行切换结合 DC-Link电压调整，以及隔离DC/DC子单元变压增益调节，可以拓宽直流端 口电压至更大工作范围。
在上述实施例中，AC/DC子单元具体可以为串联双半桥拓扑电路、中 点箝位多电平半桥电路、中点箝位多电平全桥电路、飞跨电容型多电平半 桥或飞跨电容型多电平全桥电路，在此可以不做限定。
对于上述实施例中的隔离DC/DC子单元，其结构可以有多种。参见 图11，是本申请实施例提供的一种隔离DC/DC子单元结构示意图。如图 11所示，隔离DC/DC子单元具体可以包括：原边DC/AC变换电路、无源 网络、高频变压器以及副边AC/DC变换电路。原边DC/AC变换电路通过 无源网络连接高频变压器的原边绕组，高频变压器的副边绕组连接副边 AC/DC变换电路；原边DC/AC变换电路的直流端与AC/DC子单元的直 流端连接，副边AC/DC变换电路的直流端与直流供电端连接。
其中，图11所示无源网络，可以为串联谐振网络、并联谐振网络或者仅 含有电感单元，不以此为限。其中，图11所示副边AC/DC变换电路，可以 为全桥整流电路、全波整流电路或不控整流电路，不以此为限。
原边DC/AC变换电路可以包括但不限于两电平半桥电路、两电平全 桥电路、二极管中点箝位多电平半桥电路、有源中点箝位多电平半桥电路、 T型三电平中点箝位多电平半桥电路、飞跨电容型多电平半桥电路、飞跨 电容型多电平全桥电路或串联双半桥电路，在此可以不做限定。
参见图12，是本申请实施例提供的一种功率变换装置的第一功率变换 单元整体电路示例。图12所示结构是第一功率变换单元的一种示例，第 二功率变换单元、第三功率变换单元都可以是以如图12所示的结电路结 构实现，在此不做赘述。如图12所示，每一相的AC/DC子单元可以由多 个二极管中点箝位型三电平全桥拓扑在交流端串联组成；每一个三电平全 桥拓扑的输出由两个电容串联构成DC-Link；隔离DC/DC子单元由原边 串联双半桥，电感、电容、高频变压器构成的无源网络以及副边两电平全 桥拓扑组成，并且所有隔离DC/DC子单元的输出并联连接。
在上述实施例中，控制器对隔离DC/DC子单元的增益调节，可以是 控制器控制用于改变所述隔离DC/DC子单元的调制方式并且与开关频率 调节相结合，以调节所述隔离DC/DC子单元的增益。其中，隔离DC/DC 子单元的调制方式为对称调制或者为不对称调制。例如在图12所示的实 施例中的隔离DC/DC子单元中，原边DC/AC电路采用串联双半桥电路时， 可以利用对称调制和不对称调制拓宽其电压变换增益范围，并且，在相同 的开关频率下，不对称调制下的增益小于对称调制下的增益。
当图12所示隔离DC/DC子单元采用对称调制方式或不对称调制方式， 并且不对称调制方式的增益是连续可调的，则工作范围如表一所示，其中， 结合改变调制方式与调节开关频率，rmax为隔离DC/DC子单元在对称调制 方式下的最大增益，rmin为隔离DC/DC子单元在不对称调制下的最小增益。
表一
Figure BDA0002265544910000121
在表一中，voYmin＝rmin,·vdcYmin,vomax＝vdcmax·rmax,
Figure BDA0002265544910000122
需要指出的是，对于区域A1和区域A2两个工作区域的重叠区域是 星形连接和三角形连接方式均可工作的工作区域，该区域选择工作方式的 标准可以为：
1)当星形连接和三角形连接方式的直流端口电压范围均满足输出电压 需求时，根据效率优先的原则，决定连接方式，例如在导通损耗占主导的 情况下，优选三角型连接方式。
2)在同一区域内，需要考虑效率，确定DC-Link电压和隔离DC/DC 子单元电压变换增益的组合方式，例如在隔离DC/DC子单元为谐振变换 器的情况下，变换增益等于高频变压器变比的情况下，效率最优。因此需 要将隔离DC/DC子单元电压变换增益调整至靠近高频变压器变比，而 DC-Link电压根据直流端口电压和确定的隔离DC/DC子单元电压变换增益进行相应调整。
例如图12所示拓扑应用于13.2kV的中压电网时一个具体的实施例， 例如，每一相由15个AC/DC子单元串联组成，优选采用1200V的开关管。 图13a和图13b所示实施例的具体取值，还可以参见如下表二所示的示例。 DC-Link电压最低值为输入电网电压的峰值除以串联AC/DC子单元的数 目，星形连接下为：718V，三角连接下为：1244V。DC-Link电压最大值为考虑1200V开关器件的电压应力，设置为半母线(Bus)电压790V，整 母线(Bus)电压1580V。隔离DC/DC子单元最终增益＝当前调制方式下 的增益×当前开关频率下的增益，当采用对称调制方式，通过调节隔离 DC/DC子单元的开关频率将增益范围拓宽为0.5×[0.9n,n](0.5为对称调 制方式下的增益),保证其能够获取最佳效率，本实施例中，例如变压器升 压比取值为n＝4/3，因此隔离DC/DC子单元电压变换增益调节范围为：[0.6,0.665]。
参见图13a是本申请实施例提供的一种与表二对应的工作区域A1的 示意图。图13a中斜线填充区域为工作区域A1。参见图13b是本申请实 施例提供的一种与表二对应的工作区域A2的示意图。图13b中斜线填充 区域为工作区域A2。需要指出的是，图13a和图13b中两个工作区域的 重叠区域Q是星形连接和三角形连接方式均可工作的工作区域。
图13a中斜线填充所示的工作区域A1，由于DC-Link电压范围更窄， 其对应的直流端口电压也更窄，为430V～1050V。图13b中斜线填充所示 的工作区域A2，由于DC-Link电压范围更宽，其对应的直流端口电压也 更宽，为746V～1050V。
表二
Figure BDA0002265544910000131
当图12所示隔离DC/DC子单元中串联双半桥电路采用对称调制方式 和增益固定的不对称调制方式，并且对称调制方式增益是增益固定的不对 称调制方式增益的k倍，则对应的工作范围如表三所示。在每个工作区域 之内，不涉及星形连接和三角形连接之间的切换以及隔离DC/DC单元调 制方式的切换，只涉及DC-Link电压的调整以及固定调制方式下通过调节 开关频率实现对隔离DC/DC子单元的电压变换增益的调整(对于隔离 DC/DC子单元，可以通过调整调制方式与调节开关频率的方式共同确定其 电压变换增益，DC/DC最终增益＝不同调制方式下的增益×不同开关频率 下的增益)。
表三
Figure BDA0002265544910000141
需要指出的是，对于表三中所示的四个工作区域的多个重叠区域，优 选工作方式的标准为：
1)当对称调制和不对称调制方式下的直流端口电压范围均满足输出 电压需求时(例如vomax1≥voYmin2，在[voYmin2,vomax1]范围内)，由于不对称 调制会带来损耗不均以及软开关实现上的问题，因此优先采用对称调制方 式。
2)当星形连接和三角形连接方式下的直流端口电压范围均满足输出 电压需求时，根据效率优先的原则，决定连接方式。
3)在同一区域内，需要考虑效率，确定DC-Link电压和隔离DC/DC 子单元电压变换增益的组合方式。
对于上述实施例的具体实施例如图14a、图14b所示。在图14a、图 14b所示实施例的基础上，隔离DC/DC子单元的原边DC/AC变换电路， 可以采用下图所述的对称调制方式和不对称调制方式，将原边DC/AC变 换电路的增益范围拓宽至0.25(不对称调制增益)和0.5(对称调制增益) 两组固定增益，确定调制方式后，通过调节隔离DC/DC子单元的开关频 率将增益范围拓宽为[0.9n,n]，适当牺牲效率可以进一拓宽为[0.7n,n]。本 实施例中，变压器升压比n＝4/3，因此不同开关频率下的最宽电压范围： [0.93,1.33]，并且DC/DC最终增益＝不同调制方式下的增益×不同开关频 率下的增益。具体调节范围参见如下表四以及与表四对应的图14a。
表四
Figure BDA0002265544910000142
如上实施例可知，隔离DC/DC单元电压变换增益范围存在多个增益 区域，例如多种不同增益的不对称调制方式均可以工作时，该增益区域互 相之间有重叠区域或者无重叠区域，均可以与星三角切换单元进行切换以 及调整DC-Link电压进行组合，拓宽直流端口电压范围。并且对于隔离 DC/DC单元，优先选择对称调制方式；在采用不对称调制方式时，尽量采 用增益最大的不对称调制方式。例如优先选择对称调制方式，并且放弃冗 余模式的工作区域B3，可以得到具体调节范围如图14b所示。为了拓宽 直流端口电压调节范围，优选实施例如图14b所示，在工作区域B1内隔 离DC/DC子单元调制方式选择不对称调制，而在进入工作区域B2、B4 时，隔离DC/DC子单元调制方式切换为对称调制。并且，在工作区域B1、 B2内，星三角切换单元采用星形连接；而在进入工作区域B4时，星三角 切换单元切换至三角形连接。
参见图15a是本申请实施例提供的一种对称调制方式示例。图15a中开 关管的驱动对称，调制增益较高。参见图15b，是本申请实施例提供的一种 不对称调制方式示例。图15a中开关管的驱动不对称，调制增益比对称调制 方式低。
在上述各种实施例的基础上，本申请实施例还提供一种供电***，可以 包括上述实施例中任一所述的功率变换装置，其中，所述功率变换装置的交 流端通过滤波器或者直接连接电网，直流供电端连接负载或者发电设备。在 一些实施例中，所述负载或者发电设备为可充电电池、光伏电池板、超级电 容、DC电源、DC/AC装置或者DC/DC装置。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、 “连接”、“固定”等应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆 卸连接，或成为一体；可以是机械连接，也可以是电连接或者可以互相通讯； 可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以使两个元件内部的连 通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据 具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (22)

1.一种功率变换装置，其特征在于，包括：星/三角切换单元、第一功率变换单元、第二功率变换单元、第三功率变换单元以及控制器；
所述第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的交流端，通过所述星/三角切换单元连接三相交流端，所述第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元的直流端与直流供电端连接；
其中，所述控制器用于根据反映直流供电端电压的信号控制所述星/三角切换单元，所述星/三角切换单元用于形成所述三相交流端与所述第一功率变换单元、第二功率变换单元以及第三功率变换单元之间的星形连接或者三角形连接；
所述控制器，用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第一区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成星形连接，其中，所述第一区域条件为所述反映直流供电端电压的信号大于或等于第一电压阈值、且小于第二电压阈值；
所述控制器，还用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第二区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成三角形连接或者星形连接，其中，所述第二区域条件为所述反映直流供电端电压的信号大于或等于第二电压阈值、且小于或等于最大电压阈值，并且所述直流供电端的功率计算值小于或等于第一功率阈值；以及
在确定反映直流供电端电压的信号符合第三区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成三角形连接，其中，所述第三区域条件为所述反映直流供电端电压的信号大于或等于第三电压阈值、且小于或等于最大电压阈值，并且所述直流供电端的功率计算值大于第一功率阈值、且小于或等于第二功率阈值。
2.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述星/三角切换单元包括：第一角接开关器、第二角接开关器、第三角接开关器、第一星接开关器、第二星接开关器以及第三星接开关器；
所述三相交流端的第一相线与所述第一功率变换单元的第一交流端连接，并通过所述第一角接开关器与所述第三功率变换单元的第二交流端连接；
所述三相交流端的第二相线与所述第二功率变换单元的第一交流端连接，并通过所述第二角接开关器与所述第一功率变换单元的第二交流端连接；
所述三相交流端的第三相线与所述第三功率变换单元的第一交流端连接，并通过所述第三角接开关器与所述第二功率变换单元的第二交流端连接；
其中，所述第一功率变换单元的第二交流端通过所述第二星接开关器连接至中性结点，所述第二功率变换单元的第二交流端通过所述第三星接开关器连接至中性结点，所述第三功率变换单元的第二交流端通过所述第一星接开关器连接至中性结点。
3.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，
所述控制器，具体用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第四区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成星形连接，其中，所述第四区域条件为所述直流供电端的电压大于或等于第一电压阈值、且小于第二电压阈值，并且所述直流供电端的功率计算值小于或等于第一功率阈值。
4.根据权利要求3所述的功率变换装置，其特征在于，
所述控制器，还用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第五区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成三角形连接或者星形连接，其中，所述第五区域条件为所述反映直流供电端电压的信号大于或等于第二电压阈值、且小于或等于最大电压阈值，并且所述直流供电端的功率计算值小于或等于第一功率阈值。
5.根据权利要求4所述的功率变换装置，其特征在于，
所述控制器，还用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第六区域条件时，控制所述星/三角切换单元形成三角形连接，其中，所述第六区域为所述反映直流供电端电压的信号大于或等于第二电压阈值、且小于或等于最大电压阈值，并且所述直流供电端的功率计算值大于第一功率阈值、且小于或等于第二功率阈值。
6.根据权利要求1至5任一所述的功率变换装置，其特征在于，所述反映直流供电端电压的信号包括：采样得到的直流供电端电压、或者预设的直流供电端电压。
7.根据权利要求1或4所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器，用于在确定反映直流供电端电压的信号符合第二区域条件或者第五区域条件时，根据实际效率需求控制所述星/三角切换单元形成三角形连接或者星形连接。
8.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器还用于根据反映直流供电端电压的信号控制所述第一功率变换单元的增益、所述第二功率变换单元的增益以及所述第三功率变换单元的增益。
9.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一功率变换单元、所述第二功率变换单元、所述第三功率变换单元分别都包括：AC/DC子单元、中间直流母线、隔离DC/DC子单元；
所述AC/DC子单元的交流端通过所述星/三角切换单元连接所述三相交流端，所述AC/DC子单元包含至少一直流端，所述直流端构成所述中间直流母线，所述AC/DC子单元通过所述中间直流母线连接所述隔离DC/DC子变换单元的第一端，所述隔离DC/DC子单元的第二端与所述直流供电端连接。
10.根据权利要求1所述的功率变换装置，其特征在于，所述第一功率变换单元、所述第二功率变换单元、所述第三功率变换单元分别包括多个AC/DC子单元和多个隔离DC/DC子单元；
所述多个AC/DC子单元的交流端彼此串联连接，且各所述AC/DC子单元的直流端分别与所述隔离DC/DC子单元的第一端一一对应的连接。
11.根据权利要求9或10所述的功率变换装置，其特征在于，所述反映直流供电端电压的信号包括：中间直流母线电压。
12.根据权利要求9或10所述的功率变换装置，其特征在于，
所述第一功率变换单元、所述第二功率变换单元、所述第三功率变换单元中所有所述隔离DC/DC子单元的第二端相互之间串联或并联至直流供电端。
13.根据权利要求9或10所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器根据反映直流供电端电压的信号调节AC/DC子单元的增益或者隔离DC/DC子单元的增益。
14.根据权利要求9或10所述的功率变换装置，其特征在于，所述AC/DC子单元为串联双半桥拓扑电路、中点箝位多电平半桥电路、中点箝位多电平全桥电路、飞跨电容型多电平半桥或飞跨电容型多电平全桥电路。
15.根据权利要求9或10所述的功率变换装置，其特征在于，所述隔离DC/DC子单元包括：原边DC/AC变换电路、无源网络、高频变压器以及副边AC/DC变换电路；
所述原边DC/AC变换电路通过所述无源网络连接高频变压器的原边绕组，所述高频变压器的副边绕组连接所述副边AC/DC变换电路；
所述原边DC/AC变换电路的直流端与所述AC/DC子单元的直流端连接，所述副边AC/DC变换电路的直流端与所述直流供电端连接。
16.根据权利要求15所述的功率变换装置，其特征在于，所述原边DC/AC变换电路为两电平半桥电路、两电平全桥电路、二极管中点箝位多电平半桥电路、有源中点箝位多电平半桥电路、T型三电平中点箝位多电平半桥电路、飞跨电容型多电平半桥电路、飞跨电容型多电平全桥电路或串联双半桥电路。
17.根据权利要求16所述的功率变换装置，其特征在于，所述控制器控制通过改变所述隔离DC/DC子单元的调制方式或者开关频率来调节所述隔离DC/DC子单元的增益。
18.根据权利要求17所述的功率变换装置，其特征在于，所述原边DC/AC变换电路为串联双半桥电路，所述隔离DC/DC子单元的调制方式为对称调制或者为不对称调制。
19.根据权利要求15所述的功率变换装置，其特征在于，所述无源网络为串联谐振网络、并联谐振网络或者仅含有电感单元。
20.根据权利要求15所述的功率变换装置，其特征在于，所述副边AC/DC变换电路为全桥整流电路、全波整流电路或不控整流电路。
21.一种供电***，其特征在于，包括权利要求1至20任一所述的功率变换装置，其中，所述功率变换装置的交流端通过滤波器或者直接连接电网，直流供电端连接负载或者发电设备。
22.根据权利要求21所述的供电***，其特征在于，所述负载或者发电设备为可充电电池、光伏电池板、超级电容、DC电源、DC/AC装置或者DC/DC装置。
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