CN116470783A - 分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电*** - Google Patents

分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,其拓扑结构是由一个三绕组低频变压器将一个含输出滤波电感的前置并联分时选择开关的新能源多输入单输出双向高频逆变电路、一个含输出滤波电感的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路和一个输出滤波电容联接构成,***采用具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率输出限功率能量管理SPWM控制策略。这种供电***具有多输入源一个开关周期内分时向负载供电、低频隔离、多输入源的占空比调节范围小、功率开关电压应力小、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、可靠性高、成本低等特点,仅适用于多输入源电压大小相近的场景。

Description

分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***
技术领域
本发明所涉及的分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,属于电力电子变换技术。
背景技术
太阳能、风能、潮汐能和氢能等新能源(也称为绿色能源),具有清洁无污染、廉价、可靠、丰富等优点,具有广泛的应用前景。由于石油、煤和天然气等不可再生的传统化石能源日益紧张、环境污染严重、导致全球变暖以及核能的生产又会产生核废料和污染环境等原因,新能源的开发和利用越来越受到世界各国政府的重视。新能源发电主要有光伏、风力、燃料电池、水力等类型,都存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷,故需要采用多种新能源联合的分布式供电***。
传统的两级新能源多端口供电***,如图1、2所示。该***通常是采用多个单输入直流变换器将光伏电池、燃料电池、风力发电机等不需能量存储的新能源发电设备分别通过一个单向直流变换器进行电能变换后在输出端串联或并联后连接到公共的逆变器直流母线上,储能设备通过一个双向直流变换器变换后也连接到公共的逆变器直流母线上,旨在确保各种新能源联合供电并且能够协调工作。该供电***实现了多输入源同时向负载供电和能源的充分利用,提高了***的稳定性和灵活性,但存在拓扑结构复杂、变换器数量多、多输入源-储能元件-输出负载三类端口间两级功率变换、体积和重量大、变换效率偏低、可靠性低、成本高等缺陷,其实用性受到了很大程度的限制。
为了提高***性能和降低成本,需要对图1、2所示两级新能源多端口供电***的拓扑结构进行简化,即简化为图3所示新型的单级新能源多端口集成供电***。单级新能源多端口集成供电***允许多种新能源输入,输入源的性质、幅值和特性可以相同,也可以差别很大,具有电路结构简洁、多输入源-储能元件-输出负载三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、可靠性高、成本低等优点。
因此,积极寻求一类具有高性价比的新型单级低频链新能源多端口集成供电***已迫在眉睫。这对于满足人类社会对能源大幅增长的需求、环境污染的改善、供电***稳定性和灵活性的提高、新能源的优先或充分利用、促进电力电子技术多端口变换理论方法体系和新能源储能产业的发展,均具有十分重要的意义。
发明内容
本发明目的是要提供一种输出与输入低频隔离、多个输入电源共地且在一个开关周期内分时供电、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、可靠性高、成本低、适用于多输入源电压大小接近的场景等特点的高性价比分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***。
本发明的技术方案在于:一种分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,其拓扑结构是由一个三绕组低频变压器将一个具有输出滤波电感Lf1的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感Lf2的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路和一个输出滤波电容Cf联接构成,n为多输入源的路数、大于1的自然数;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接,前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的输出端与输出滤波电感Lf1、三绕组低频变压器的n输入源端口绕组N11相级联,Lf1由外接电感与绕组N11的漏感相串联或仅由绕组N11的漏感实现;所述的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路的输入端与输入滤波器输出端相联接、输出端与输出滤波电感Lf2和三绕组低频变压器的储能元件端口绕组N12相级联,Lf2由外接电感与绕组N12的漏感相串联或仅由绕组N12的漏感实现;所述的输出滤波电容Cf与三绕组低频变压器的输出负载端口绕组N2相联接;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由输出端并接的每路仅有一个双向开关的n路分时选择双向开关电路和单输入单输出双向高频逆变电路依序级联构成;所述的供电***的拓扑结构为推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式电路,n路分时选择双向开关Ss1、Ss2、…、Ssn在双极性SPWM和单极性SPWM调制时的电压应力分别为max∣UiN-Ui1∣、max∣UiN-Ui2∣、…、max∣UiN-Uin∣和Ui1-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、Ui2-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、…、Uin-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2),N=1、2、…、n,单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为Uimax=max(Ui1、Ui2、…、Uin)或储能元件电压Ub;所述的供电***的n路输入源Ui1、Ui2、…、Uin的占空比调节范围小且在一个开关周期内按Ui1、Ui2、…、Uin先后次序分时向负载供电,仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景,Uimin=min(Ui1、Ui2、…、Uin)。
本发明是将传统的新能源供电***的直流变换器与逆变器两级级联的拓扑结构构建为新型的单级新能源多端口集成供电***拓扑结构,提出了分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的拓扑结构及其限功率能量管理控制策略,即该拓扑结构是由一个三绕组低频变压器将一个具有输入滤波器和输出滤波电感Lf1的前置分时选择双向开关的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输入滤波器和输出滤波电感Lf2的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路以及一个输出滤波电容联接构成,新能源n输入单输出双向高频逆变电路和储能元件单输入单输出双向高频逆变电路的输出端分别通过一个滤波电感(外接电感与变压器绕组的漏感相串联或仅由变压器绕组的漏感实现)与n输入源端口绕组、储能元件端口绕组相联接。
本发明的分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,能将多个共地、不稳定的输入源电压逆变成一个负载所需的稳定优质的输出交流电,具有输出与输入低频隔离、多输入电源共地且在一个开关周期内分时供电、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、可靠性高、成本低、适用于多输入源电压大小接近的场景等特点,其综合性能将比传统的两级新能源多端口供电***优越。
附图说明
图1,传统的多个单向直流变换器输出端串联的两级新能源多端口供电***。
图2,传统的多个单向直流变换器输出端并联的两级新能源多端口供电***。
图3,新型的单级新能源多端口集成供电***的原理框图。
图4,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的原理框图。
图5,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的电路结构图。
图6,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的单极性SPWM调制稳态原理波形图。
图7,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的全桥电路拓扑实例原理图。
图8,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的限功率能量管理控制策略。
图9,具有储能元件直流端口逆变电路输出电压独立控制环路的多输入源分时供电的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理单极性SPWM控制框图。
图10,具有储能元件直流端口逆变电路输出电压独立控制环路的多输入源分时供电的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理单极性SPWM控制原理波形图。
图11,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的输出电压uo和输出滤波电感电流iLf1、iLf2波形。
图12,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的工作模式Ⅰ--多输入源对输出负载和储能元件供电。
图13,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的工作模式Ⅱ--多输入源和储能元件对输出负载供电。
图14,分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的工作模式Ⅲ--多输入源对输出负载供电、储能元件既不充电也不放电。
具体实施方式
下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案做进一步描述。
分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的拓扑结构,是由一个三绕组低频变压器将一个具有输出滤波电感Lf1的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感Lf2的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路和一个输出滤波电容Cf联接构成,n为多输入源的路数、大于1的自然数;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接,前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的输出端与输出滤波电感Lf1、三绕组低频变压器的n输入源端口绕组N11相级联,Lf1由外接电感与绕组N11的漏感相串联或仅由绕组N11的漏感实现;所述的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路的输入端与输入滤波器输出端相联接、输出端与输出滤波电感Lf2和三绕组低频变压器的储能元件端口绕组N12相级联,Lf2由外接电感与绕组N12的漏感相串联或仅由绕组N12的漏感实现;所述的输出滤波电容Cf与三绕组低频变压器的输出负载端口绕组N2相联接;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由输出端并接的每路仅有一个双向开关的n路分时选择双向开关电路和单输入单输出双向高频逆变电路依序级联构成;所述的供电***的拓扑结构为推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式电路,n路分时选择双向开关Ss1、Ss2、…、Ssn在双极性SPWM和单极性SPWM调制时的电压应力分别为max∣UiN-Ui1∣、max∣UiN-Ui2∣、…、max∣UiN-Uin∣和Ui1-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、Ui2-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、…、Uin-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2),N=1、2、…、n,单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为Uimax=max(Ui1、Ui2、…、Uin)或储能元件电压Ub;所述的供电***的n路输入源Ui1、Ui2、…、Uin的占空比调节范围小且在一个开关周期内按Ui1、Ui2、…、Uin先后次序分时向负载供电,仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景,Uimin=min(Ui1、Ui2、…、Uin)。
分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的原理框图、拓扑结构及其单极性SPWM控制的稳态原理波形,如图4、5、6所示。图4、5、6中,Ui1、Ui2、…、Uin为n路输入直流电压源(n为大于1的自然数),ZL为单相输出交流负载或交流电网,uo、io分别为单相输出交流电压和交流电流。n输入单输出双向高频逆变电路是由前置n路分时选择双向开关电路、单输入单输出双向高频逆变电路依序级联构成,其中前置n路分时选择双向开关电路是由n个能承受双向电压应力、双向电流应力的双向高频功率开关构成,单输入单输出双向高频逆变电路是由多个能承受单向电压应力、双向电流应力的高频功率开关构成(可选用MOSFET、IGBT等功率器件),n路输入滤波器为电容滤波器或LC滤波器;储能元件单输入单输出双向高频逆变电路也是由多个能承受单向电压应力、双向电流应力的高频功率开关构成(可选用MOSFET、IGBT等功率器件),n路输入滤波器为电容滤波器或LC滤波器。图5为采用输入电容滤波器的情形,采用LC输入滤波器时输入直流电流会更平滑。该***可以采用双极性SPWM和单极性SPWM调制策略,图6给出了采用单极性SPWM调制策略时的稳态原理波形。n输入单输出双向高频逆变电路将n路输入直流源Ui1、Ui2、…、Uin调制成幅值随输入直流电压变化的双极性两态(双极性SPWM调制)或单极性三态(单极性SPWM调制)的多电平SPWM电压波uAB(双极性SPWM调制时+1态幅值为Ui1、Ui2、…、Uin,当设计为仅通过第n路输入源Uin回馈交流侧能量时的-1态幅值为-Uin;单极性SPWM调制时+1态幅值为Ui1、Ui2、…、Uin,-1态幅值为-Ui1、-Ui2、…、-Uin),经输出滤波电感Lf1、低频变压器T、输出滤波电容Cf后在单相输出交流负载(交流电网)上获得优质的正弦交流电压uo(交流电流io)。n个输入脉冲电流经输入滤波器后在n路输入源Ui1、Ui2、…、Uin中获得平滑的输入直流电流Ii1、Ii2、…、Iin;储能元件单输入单输出双向高频逆变电路将储能元件电压Ub调制成幅值随输入直流电压变化的双极性两态(双极性SPWM调制)或单极性三态(单极性SPWM调制)的两电平SPWM电压波uCD(+1态幅值为Ub,-1态幅值为-Ub),经输出滤波电感Lf2、低频变压器T、输出滤波电容Cf后实现多输入源能量不足时的补充和多输入源能量过多时的存储,输入脉冲电流经输入滤波器后在输入直流源Ub中获得平滑的输入直流电流Ib
分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的电路拓扑实施例,包括推挽式、推挽正激式、半桥式和全桥式电路,推挽式、推挽正激式和半桥式电路只能采用双极性SPWM调制策略,而全桥式电路可以采用双极性和单极性SPWM调制策略。n输入单输出双向高频逆变电路中和储能元件的单输入单输出双向高频逆变电路均由两个或四个能承受单向电压应力、双向电流应力的高频功率开关构成,图7给出了全桥式电路拓扑。分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***的全桥电路拓扑实施例的功率开关电压应力,如表1所示。表1中,Uimax=max(Ui1,Ui2,…,Uin),N=1,2,…,n。由表1可见,***的逆变电路的功率开关电压应力小,仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景以充分利用功率开关的电压定额,Uimin=min(Ui1、Ui2、…、Uin)。该电路拓扑能将多个共地、不稳定的输入直流电压变换成一个所需电压大小、稳定优质的输出交流电,可用于实现具有高性价比和广泛应用前景的新型单级新能源多端口集成供电***,如光伏电池40-60VDC/220V50HzAC或115V400HzAC、10kw质子交换膜燃料电池85-120V/220V50HzAC或115V400HzAC、中小型户用风力发电24-36-48VDC/220V50HzAC或115V400HzAC、大型风力发电510VDC/220V50HzAC或115V400HzAC等多输入源对交流负载或交流电网供电并配有电压大小为48VDC、96VDC等储能元件。
表1分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***全桥电路实施例的功率开关电压应力
分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***属于降压型逆变***,n个输入源并联分时向输出负载和储能元件供电,或n个输入源和储能元件共同向负载供电。设n个输入源误差放大器的输出信号i1e、i1e+i2e、…、i1e+i2e+…+ine和输出电压误差放大器的输出信号ue的幅值分别为I1em、I1em+I2em、…、I1em+I2em+…+Inem、Uem,锯齿形载波信号uc的幅值为Ucm,则相应的调制度为m1=I1em/Ucm、m1+m2=(I1em+I2em)/Ucm、…、m1+m2+…+mn=(I1em+I2em+…+Inem)/Ucm、m=Uem/Ucm,并且有0≤m1、m2、…、mn、m≤1和m1<m1+m2<…<m1+m2+…+mn。该逆变***的原理相当于多个电压型单输入逆变器在输出端电压的叠加,或相当于储能元件电压型单输入逆变器的输出电压,即输出电压uo与多输入源电压(Ui1、Ui2、…、Uin)、低频变压器匝比N11/N2、调制度(m1、m2、…、mn)之间的关系为uo=[(m1Ui1+m2Ui2+…+mnUin)]N2/N11(单极性SPWM调制)或uo=[(2m1-1)Ui1+(2m2-1)Ui2+…+(2mn-1)Uin)]N2/N11(双极性SPWM调制),或输出电压uo与储能元件电压Ub、低频变压器匝比N12/N2、调制度m之间的关系为uo=mUbN2/N12(单极性SPWM调制)或uo=(2m-1)UbN2/N12(双极性SPWM调制)。由于存在0<m1+m2+…+mn<1(单极性SPWM调制)和0.5<m1+m2+…+mn<1(双极性SPWM调制),所以uo<(Ui1+Ui2+…+Uin)N2/N11,即uo总是低于多输入源电压(Ui1、Ui2、…、Uin)与低频变压器匝比N2/N11乘积之和(Ui1+Ui2+…+Uin)N2/N11;由于所述逆变***属于单级电路结构,其变压器工作频率等于输出电压频率,多路分时选择双向开关前置于高频逆变电路,故也将这类供电***称为具有前置双向选择开关的分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***。该供电***的n个输入源Ui1、Ui2、…、Uin的占空比调节范围小且在一个开关周期内按Ui1、Ui2、…、Uin先后次序分时对负载供电,调制度可以相同(m1=m2=…=mn),也可以不同(m1≠m2≠…≠mn)。
本发明所述的分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,由于多输入源和储能元件共用一个输出低频变压器和滤波电路,多输入源共用一个单输入单输出双向高频逆变电路,与直流变换器和逆变器级联构成的传统两级新能源多端口供电***的拓扑结构存在本质上的区别。因此,本发明所述供电***具有新颖性和创造性,并且具有输出与输入低频隔离、多输入电源共地且在一个开关周期内分时供电、多输入源-储能电池-输出负载三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高(能量损耗小)、可靠性高、成本低、输入电压配制灵活、输出电压纹波小、输出容量大、仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景以充分利用功率开关的电压定额等特点,是一种理想的节能降耗型单级新能源多端口集成供电***,在大力倡导建设节能型、节约型社会的今天更具有重要价值。
能量管理控制策略对于新能源多端口供电***来说是至关重要的。由于存在多端口及相应的功率开关单元,故需对多个功率开关单元进行控制,即存在多个控制自由度,这就为多端口的能量管理和功率分配提供了可能性。
分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***需要采用具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率输出限功率能量管理SPWM控制策略,如图8所示。图8中,***存在输出电压独立控制、多输入源MPPT和多输入源限功率控制三个环路,uo、ur分别为输出反馈电压和基准电压,U1、I1ref、I1、P1ref、P1分别为第1路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率,U2、I2ref、I2、P2ref、P2分别为第2路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率,…,Un、Inref、In、Pnref、Pn分别为第n路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率,sin(ωt)为输出电压(电流)的同步信号。限功率控制是在第1、2、…、n路输入源MPPT环路的基础上附加n个限功率环路来实现的:正常工况下,P1<P1ref、P2<P2ref、…、Pn<Pnref,n个限功率环路的输出um1、um2、…、umn分别通过二极管Db1和电阻Rb1、二极管Db2和电阻Rb2、…、二极管Dbn和电阻Rbn组成的n个限幅电路,由于um1>0、um2>0、…、umn>0,Db1、Db2、…、Dbn截止,Ie1=Ie1 *、Ie2=Ie2 *、…、Ien=Ien *,um1、um2、…、umn对第1、2、…、n路输入源的MPPT环路不产生影响,即限功率环不起作用;极端工况下,只要有1路输入源的功率大范围波动都须限制功率,设n路输入源功率P1>P1ref、P2>P2ref、…、Pn>Pnref,n个限功率环路的输出um1<0、um2<0、…、umn<0,Db1、Db2、…、Dbn导通,Ie1=Ie1 *+um1<Ie1 *、Ie2=Ie2 *+um2<Ie2 *、…、Ien=Ien *+umn<Ien *,um1、um2、…、umn对第1、2、…、n路输入源的MPPT环路的输出Ie1、Ie2、…、Ie2进行限幅,n路输入源退出MPPT状态,从而限制了多端口集成供电***传递的最大功率,确保***的安全可靠运行。
下面对***正常工况下的具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理SPWM控制策略作进一步论述。采用单极性SPWM和双极性SPWM调制策略,图9、10给出了采用单极性SPWM调制策略时的控制框图和控制原理波形。第1、2、…、n路输入源的电流反馈信号Ii1f、Ii2f、…、Iinf分别与第1、2、…、n路输入源经最大功率点计算后得到的基准电流信号Ii1r、Ii2r、…、Iinr经比例积分误差放大器比较放大,输出误差放大信号I1e、I2e、…、Ine分别与正弦同步信号相乘、再通过加法器输出i1e、i1e+i2e、…、i1e+i2e+…+ine信号;***输出电压反馈信号uof与基准正弦电压ur经比例积分误差放大器比较放大输出误差放大信号ue;i1e、i1e+i2e、…、i1e+i2e+…+ine和ue均与***输出电压正、负半周分别为正、负极性的锯齿形载波uc交截并经输出电压选通信号和适当的逻辑变换电路后输出多输入源n输入单输出双向高频逆变电路功率开关的控制信号ugss1、ugss2、…、ugssn、ugs1、ugs2、ugs3、ugs4和储能元件单输入单输出双向高频逆变电路功率开关的控制信号ugsb1、ugsb2、ugsb3、ugsb4。第1、2、…、n路误差放大器(电流)分别独立工作且与第n+1路误差放大器(电压)分别独立工作,前者用于实现第1、2、…、n路输入源的最大功率输出,后者用于实现供电***输出电压的稳定,n路输入源和储能元件密切配合向负载供电。图10所示控制原理波形标出了开关周期TS和第1、2、…、n路输入源的导通时间Ton1、Ton2、…、Tonn以及总的导通时间Ton=Ton1+Ton2+…+Tonn,总的导通时间Ton在一个输出电压周期内是按正弦规律变化的。需要补充说明的是,当***用于并网发电时需要将输出电压的独立控制环路调整为并网电流的独立控制环路。
以分时供电型单级低频链新能源多端口集成独立供电***带阻性负载为例,论述储能元件直流端口高频逆变电路的功率流向和***输出电压的控制,如图11、12、13、14所示。对于输出滤波电容Cf和输出负载ZL=RL来说,多输入源直流端口高频逆变电路、储能电池直流端口高频逆变电路分别通过Lf1、Lf2在三绕组低频变压器T的两个直流端口绕组N11、N12并接,相当于两个电流源在输出负载端口绕组N2并联叠加。由图11所示***的输出电压uo和输出滤波电感电流iLf1、iLf2波形可见,多输入源直流端口高频逆变电路的iLf1与uo同频同相,输出有功功率;而储能电池直流端口高频逆变电路是通过uo与基准电压ur的误差放大信号与高频锯齿载波交截生成的SPWM信号进行控制的,其iLf2与uo之间存在相位差θ,不同的相位差θ意味着输出不同大小和方向的有功功率。当Po<P1max+P2max+…+Pnmax时,uo增大,θ>90°,储能元件直流端口高频逆变电路输出负的有功功率,输出负载向储能电池回馈功率,即多入源输出的剩余功率对储能元件充电--供电模式Ⅰ,当θ=180°时输出负载向储能电池回馈的功率最大,此时等效于图12所示多输入双输出多端口集成变换***;当Po>P1max+P2max+…+Pnmax时,uo减小,θ<90°,储能元件直流端口高频逆变电路输出正的有功功率对输出负载放电,即储能元件提供输出负载所需的不足功率--供电模式Ⅱ,此时等效于图13所示多输入源与储能元件并联多绕组同时供电的多输入单输出多端口集成逆变***;当Po=P1max+P2max+…+Pnmax时,θ=90°,储能元件直流端口高频逆变电路输出的有功功率为零(空载状态),储能元件既不充电也不放电--供电模式Ⅲ,此时等效于图14所示多输入单输出多端口集成逆变***。因此,该能量管理控制策略能根据Po与P1max+P2max+…+Pnmax的相对大小实时控制储能元件直流端口高频逆变电路的功率流大小和方向,实现光伏和风力等多输入源的最大功率输出、两类直流端口的功率分配、***输出电压的稳定以及***在三种不同供电模式下的平滑无缝切换功能。在此基础上,通过限制极端工况下多输入源输出的最大功率,就可以实现图8所示的具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率输出限功率能量管理SPWM控制策略。
与同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电***、工频隔离型单级新能源多端口混合功率器件集成逆变器技术方案相比,本技术发明由于具有不同的拓扑结构、电路连接关系和限功率能量管理控制策略,虽然n路输入源Ui1、Ui2、…、Uin的占空比调节范围小,但取得了“双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力小,即均为Uimax=max(Ui1、Ui2、…、Uin)或储能元件电压Ub,在一个开关周期内按Ui1、Ui2、…、Uin先后次序分时向负载供电,仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景”等技术效果。

Claims (2)

1.一种分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,其特征在于:这种供电***的拓扑结构是由一个三绕组低频变压器将一个具有输出滤波电感Lf1的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感Lf2的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路和一个输出滤波电容Cf联接构成,n为多输入源的路数、大于1的自然数;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接,前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的输出端与输出滤波电感Lf1、三绕组低频变压器的n输入源端口绕组N11相级联,Lf1由外接电感与绕组N11的漏感相串联或仅由绕组N11的漏感实现;所述的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路的输入端与输入滤波器输出端相联接、输出端与输出滤波电感Lf2和三绕组低频变压器的储能元件端口绕组N12相级联,Lf2由外接电感与绕组N12的漏感相串联或仅由绕组N12的漏感实现;所述的输出滤波电容Cf与三绕组低频变压器的输出负载端口绕组N2相联接;所述的前置分时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由输出端并接的每路仅有一个双向开关的n路分时选择双向开关电路和单输入单输出双向高频逆变电路依序级联构成;所述的供电***的拓扑结构为推挽式、推挽正激式、半桥式、全桥式电路,n路分时选择双向开关Ss1、Ss2、…、Ssn在双极性SPWM和单极性SPWM调制时的电压应力分别为max∣UiN-Ui1∣、max∣UiN-Ui2∣、…、max∣UiN-Uin∣和Ui1-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、Ui2-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2)、…、Uin-(Ui1+Ui2+…+Uin)/(n+2),N=1、2、…、n,单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为Uimax=max(Ui1、Ui2、…、Uin)或储能元件电压Ub;所述的供电***的n路输入源Ui1、Ui2、…、Uin的占空比调节范围小且在一个开关周期内按Ui1、Ui2、…、Uin先后次序分时向负载供电,仅适用于多输入源电压Uimax-Uimin≤200V的场景,Uimin=min(Ui1、Ui2、…、Uin)。
2.根据权利要求1所述的分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电***,其特征在于:这种供电***采用具有储能元件直流端口全桥高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率输出限功率能量管理SPWM控制策略,具有输出电压独立控制、多输入源最大功率点跟踪和多输入源最大输出功率限制三个环路;限功率能量管理SPWM控制策略是根据***输出功率与多输入源功率之和的相对大小实时控制储能元件直流端口全桥高频逆变电路的功率流大小和方向,实现多输入源的最大功率输出及其极端工况下最大输出功率的限制、两类直流端口的功率分配、***输出电压的稳定以及在三种不同供电模式下的平滑无缝切换,三种供电模式为多输入源对输出负载和储能元件供电的模式Ⅰ、多输入源和储能元件对输出负载供电的模式Ⅱ、多输入源对输出负载供电且储能元件既不充电也不放电的模式Ⅲ;所述的限功率控制是在n路输入源最大功率点跟踪环路的基础上附加n个限功率环路来实现的,正常工况下n个限功率环路的输出通过n个由二极管和电阻组成的限幅电路对n路输入源的最大功率点跟踪环路不产生影响,极端工况下n个限功率环路的输出通过n个由二极管和电阻组成的限幅电路使n路输入源退出最大功率点跟踪状态、限制了n路输入源最大功率点环路的输出幅值和多输入源直流端口全桥高频逆变电路的调制度以及多端口供电***传输的最大功率,以确保供电***的安全可靠运行。
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