一种宽范围高带宽可重构的电源单机及组合电源的制作方法

1.本发明涉及一种测试电源，具体涉及一种宽范围高带宽可重构的电源单机及组合电源。


背景技术：

2.目前，在电力电子领域中，诸如光伏逆变器、储能变流器、风电变流器、ups、新能源汽车等，均对设备研发、并网等测试提出了更高的要求，例如更高的输出电压范围、更高的谐波模拟以及更快的能量双向流动需求。但不同功率及电压范围需要不同的设计来满足要求，而传统的电源系统输出范围受限、带宽低、系统扩容方式单一，因此，现有的测试电源存在复用度不高，重复设计工作量大的问题，导致测试电源设备利用率不高，客户投入成本高。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于解决现有电源系统输出范围受限、带宽低、系统扩容方式单一的技术问题，而提供一种宽范围高带宽可重构的电源单机及组合电源。
4.为了实现上述目的，本发明提供的技术解决方案为：
5.一种宽范围高带宽可重构的电源单机，其特殊之处在于，包括输入配电单元、输入滤波单元、多绕组隔离变压器、功率模块单元以及输出滤波单元；
6.所述多绕组隔离变压器设置有n个副边绕组，n≥2；所述功率模块单元包括与副边绕阻数量相同的n个功率模块；
7.所述输入配电单元的输入端连接外部电网，输出端连接多绕组隔离变压器的原边绕阻，其用于连接电网与多绕组隔离变压器的原边绕组对其供电；输入滤波单元连接于输入配电单元和多绕组隔离变压器之间，用于对高次谐波进行滤波；多绕组隔离变压器的n个副边绕组分别连接n个功率模块的输入端，用于n个功率模块相互之间、n个功率模块与输入之间的电气隔离，以及为功率模块的输出重构提供支撑；
8.所述n个功率模块均分为m个功率组，每个功率组包括x个功率模块，1≤x≤n；其中，n、m、x均为整数；
9.所述功率组的个数m为3，所述功率模块输出为单相交流，每个功率组中的x个功率模块的输出端串联或者并联后作为功率组的输出端，3个功率组的输出端分别连接输出滤波单元的输入端；输出滤波单元的输出端分别输出三相电源的a相、b相及c相；
10.或者，1≤m≤n，所述功率模块输出为三相交流，每个功率组中的x个功率模块的输出端并联后作为功率组的输出端，m个功率组的输出端并联后连接输出滤波单元的输入端，输出滤波单元的输出端分别输出三相电源的a相、b相及c相；
11.或者，1≤m≤n，所述功率模块输出为直流，每个功率组中的x个功率模块的输出端串联后作为功率组的输出端，m个功率组的输出端并联后连接输出滤波单元的输入端，输出滤波单元的输出端输出直流电源。
12.具体的，各功率模块的输出端并联可以提供大电流输出，串联可以提供高电压输出，根据输出类型、输出电压范围、输出电流大小等不同应用要求，n个功率模块的输出端串并联组合后连接至输出滤波单元的输入端；输出滤波单元用于滤除各功率模块串并联组合后的端口电压纹波，为输出端口提供稳定纯净的波形输出。
13.进一步地，所述输入配电单元包括输入主开关km1和与输入主开关km1并联设置的软起回路；所述输入主开关km1一端及软起回路的输入均连接外部电网，输入主开关km1的另一端及软起回路的输出端均连接多绕组隔离变压器的原边绕阻；所述软起回路用于对多绕组隔离变压器及功率模块的直流母线支撑电容进行软起，以减少电网的冲击。
14.进一步地，所述软起回路包括输入软起开关km2和与输入软起开关km2串联设置的软起电阻rs；
15.所述输入软起开关km2的一端连接外部电网，另一端连接软起电阻rs的一端，软起电阻rs的另一端连接多绕组隔离变压器的原边绕阻。
16.进一步地，还包括输入电抗器；
17.所述输入电抗器的一端连接输入主开关km1的另一端，输入电抗器的另一端连接多绕组隔离变压器的原边绕阻，用于对电源并网电流提供高频阻抗，减少电源对电网的谐波污染，同时抑制电网高频纹波对电源的干扰。
18.进一步地，所述输入滤波单元包括一个滤波标准组件或多个并联的滤波标准组件；滤波标准组件数量根据功率模块的数量进行配置，二者数量成反比例关系，功率模块的数量越多，则输入滤波单元的标准组件数量越少。
19.所述滤波标准组件包括滤波电容c以及与滤波电容c并联的rc支路，所述滤波电容c的一端连接在多绕组隔离变压器的原边绕阻上，另一端悬空。
20.进一步地，所述功率模块包括整流组件和逆变组件；所述逆变组件包括一个逆变器或多个并联的逆变器；
21.所述整流组件的输入端通过滤波电感ls与相应的多绕组隔离变压器的副边绕阻连接，输出端连接逆变组件的输入端；逆变组件的输出端作为功率模块的输出端。
22.进一步地，所述功率模块通过其内部各逆变组件不同的连接方式可形成交流三相逆变结构，或直流双向buckboost结构，或交流单相h桥逆变结构。
23.进一步地，所述整流组件采用载波移相的方式，用于提高输出等效开关频率，减小输出纹波，具体的，通过原边绕组可使开关次纹波减小至1/n,进而使输入滤波单元标准组件的数量配置减小。
24.本发明还提供了一种宽范围高带宽可重构的组合电源，其特殊之处在于，包括多个电源单机，所述电源单机采用上述的宽范围高带宽可重构的电源单机；多个电源单机包括一个作为主机的电源单机和至少一个作为从机的电源单机；
25.多个所述电源单机均设置有并机通信接口，且多个所述电源单机通过各自的并机通信接口串并联连接，用于接收作为主机的电源单机的电流指令，或将电流指令传送至其他作为从机的电源单机。
26.其中，各电源单机可独立满功率运行，多个电源单机也可串并联组合重构后运行，组合重构时，多个电源单机通过各自并机通信接口完成串联，可以提高输出电压范围，并实现主动均压控制，多个电源单机通过各自并机通信接口完成并联，可以提高输出功率范围，
并实现主动均流控制。
27.本发明相比于现有技术的有益效果为：
28.1、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机，设置了n个功率模块，通过n个功率模块的串并联组合重构，提高了输出电压和输出电流范围。
29.2、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机，功率模块共享度高，重复利用率高，一致性好，采用光纤实现的高速数字并机通信接口实时性高，抗干扰能力强，设备级重构灵活可靠。
30.3、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机，在输入主开关和多绕组隔离变压器之间设置有输入电抗器，对电源并网电流提供了高频阻抗，减少了电源对电网的谐波污染，同时抑制了电网高频纹波对电源的干扰。
31.4、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机，功率模块的整流组件采用了载波移相的方式，提高了开关频率，降低了输出纹波，减小了输入滤波，改善了并网质量。
32.5、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机，功率模块内逆变组件的不同连接方式，可以使电源单机满足不同的应用和需求。
33.6、本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的组合电源，不同电源单机通过共用拓扑架构及相关组件进行组合重构，减少重复设计工作，实现系列设计，设备级的重构能力，实现同型号设备的多台串并，在单机的基础更大范围的拓宽输出范围，提高系统带宽及设备利用率，降低投入成本。
附图说明
34.图1为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机实施例一的结构示意图；
35.图2为本发明输入滤波单元中滤波标准组件示意图；
36.图3为本发明实施例一、实施例二中功率模块重构为交流单相h桥逆变电路示意图；
37.图4为本发明实施例三中功率模块重构为交流三相逆变电路示意图；
38.图5为本发明实施例四、实施例五及实施例六中功率模块重构为直流双向buckboost结构示意图；
39.图6为本发明实施例二的电源单机结构示意图；
40.图7为本发明实施例三的电源单机结构示意图；
41.图8为本发明实施例四的电源单机结构示意图；
42.图9为本发明实施例五的电源单机结构示意图；
43.图10为本发明实施例六的电源单机结构示意图；
44.图11为本发明宽范围高带宽可重构的电力电子拓扑架构多单机重构实施例。
45.具体附图标记为：
46.1-输入配电单元；2-输入滤波单元；3-多绕组隔离变压器；4-功率模块，41-整流组件，42-逆变器；5-输出滤波单元；7-电源单机。
具体实施方式
47.为使本发明的优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明作进一
步详细说明。
48.一种宽范围高带宽可重构的电源单机，包括输入配电单元1、输入电抗器lg、输入滤波单元2、多绕组隔离变压器3、功率模块单元以及输出滤波单元5。输入配电单元1包括输入主开关km1、输入软起开关km2以及软起电阻rs；其中，输入软起开关km2与软起电阻rs串联构成软起回路，软起回路与输入主开关km1并联设置。输入滤波单元2包括一个滤波标准组件或多个并联的滤波标准组件，如图2所示，滤波标准组件由滤波电容c以及与滤波电容c并联的rc支路组成，具体的，滤波电容c的一端连接在多绕组隔离变压器3的原边绕阻上，另一端悬空，滤波电容c和电阻r组成crc双分裂结构。多绕组隔离变压器3设置有n个副边绕组，n≥2。功率模块单元包括与副边绕阻数量相同的n个功率模块4，每个功率模块4包括整流组件41和逆变组件；整流组件41的输入端通过滤波电感ls与相应的多绕组隔离变压器3的副边绕阻连接，输出端连接逆变组件的输入端；逆变组件的输出端作为功率模块4的输出端；逆变组件包括一个逆变器42或多个并联的逆变器42，如图3-图5所示，功率模块4的多个逆变器42通过不同形式的并联对igbt进行组合重构实现交流三相逆变结构、或直流双向buckboost结构、或交流单相h桥逆变结构电路形式；其中，功率模块4中开关管的排布及数量为说明几种功率模块4重构的实施例，并不构成限制。副边绕阻的具体数量n和逆变器42的数量均根据输出功率等级、电流等级以及电压等级确定，输出滤波模块5的具体数量根据需要组合重构的电源类型来确定。
49.具体的，输入主开关km1和输入软起开关km2的一端均连接外部电网，输入主开关km1的另一端连接输入电抗器lg的一端，输入软起开关km2的另一端连接软起电阻rs的一端；输入电抗器lg的另一端与软起电阻rs的另一端均连接多绕组隔离变压器3的原边绕阻，输入滤波单元2连接在输入配电单元1和多绕组隔离变压器3的原边绕阻之间，隔离变压器3的n个副边绕组分别通过滤波电感ls连接相应功率模块4的整流组件输入端；n个功率模块4均分为m个功率组，每个功率组包括x个功率模块4，1≤x≤n，且n为x的整倍数；其中，n、m、x均为整数；当功率组的个数m为3，功率模块4输出为单相交流时，每个功率组中的x个功率模块4的输出端串联或者并联后作为功率组的输出端，3个功率组的输出端分别连接输出滤波单元5的输入端；输出滤波单元5的输出端分别输出三相电源的a相、b相及c相；或者，当1≤m≤n，功率模块4输出为三相交流时，每个功率组中的x个功率模块4的输出端并联后作为功率组的输出端，m个功率组的输出端并联后连接输出滤波单元5的输入端，输出滤波单元5的输出端分别输出三相电源的a相、b相及c相；或者，当1≤m≤n，功率模块4输出为直流时，每个功率组中的x个功率模块4的输出端串联后作为功率组的输出端，m个功率组的输出端并联后连接输出滤波单元5的输入端，输出滤波单元5的输出端输出直流电源。
50.输入配电单元1的软起回路对多绕组隔离变压器3及功率模块4的直流母线支撑电容进行软起，以减少电网的冲击；输入配电单元1的输入主开关km1连接外部电网与多绕组隔离变压器3的原边绕组，用于软起结束后向多绕组隔离变压器3、功率模块4以及输出滤波单元5提供能量；输入主开关km1还用于对故障进行隔离，确保电网及电源安全工作。输入电抗器lg，用于对电源并网电流提供高频阻抗，减小对电网污染，同时能够减少电网高频纹波对电源运行的影响。输入滤波单元2，用于滤除高次谐波，即功率模块4的整流组件41带来的开关次纹波，减少对电网的影响，多绕组隔离变压器3，用于n个功率模块4相互之间以及n个功率模块4与输入之间实现电气隔离；多绕组隔离变压器3，还用于向n个功率模块4的输出
重构提供支撑。本实施例中输入滤波单元2选择带有阻尼作用的滤波模块，滤波的同时可以提高电源电网的适应性；同时，输入滤波单元2中的滤波标准组件数量根据功率模块4的数量进行配置，二者的数量成反比例关系，即功率模块4的数量越多，则输入滤波单元2的标准组件数量越少。具体的，当多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为n个时，相应的，功率模块4的数量也为n个，由于功率模块4的整流组件41采用载波移相的方式工作，通过多绕组隔离变压器3的原边耦合，使得原边开关次纹波频率提高n倍，输入滤波单元2滤除的纹波频率提高n倍，通过原边绕组可将开关次纹波减小到1/n，故输入滤波单元2中的滤波标准组件数量会相应的减少，输入滤波单元2的体积和流入电网的谐波也相应减小。各功率模块4的输出端并联可以提供高电流输出，串联可以提供高电压输出，所以，n个功率模块4的输出端通过多种形式的串并联组合重构后连接至输出滤波单元5，基于n个功率模块4的不同组合重构，可形成多种规格的交直流电源主功率结构，实现提高输出电压范围、输出电流范围以及输出功率范围的目的。同时，结合整流组件41采用的载波移相工作方式，可以提高等效开关频率和系统带宽，降低输出纹波。输出滤波单元5用于滤除n个功率模块4串并联组合后的端口电压纹波，为输出端口提供稳定纯净的波形输出。
51.实施例一
52.如图1所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机一种交流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个逆变器42连接为交流单相h桥电路；将每两个功率模块4组成一个功率组，六个功率模块4共计组成三个功率组，每个功率组的两个功率模块4输出端串联作为功率组的输出端，3个功率组的输出端分别连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端分别输出三相交流电源的a相、b相及c相。通过每两个功率模块4的串联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电压范围较单功率模块提高了1倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/4，系统带宽提高了1倍。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
53.实施例二
54.如图6所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机第二种交流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个逆变器42连接为单相h桥电路；将每两个功率模块4组成一个功率组，六个功率模块4共计组成三个功率组，每个功率组的两个功率模块4输出端通过电感并联作为功率组的输出端，三个功率组的输出端分别连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端分别输出三相交流电源的a相、b相及c相。两个功率模块4通过并联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电流范围较单功率模块提高了1倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/4。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
55.实施例三
56.如图7所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机第三种交流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个
逆变器42连接为交流三相逆变电路；六个功率模块4的输出端通过相应的电感并联后连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端分别输出三相交流电源的a相、b相及c相。各功率模块4通过并联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电流范围较单功率模块提高了5倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/6。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
57.实施例四
58.如图8所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机一种直流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个逆变器42连接为直流双向buckboost电路；六个功率模块4的输出端通过相应的六个电感并联后连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端输出直流电源。6个功率模块4通过并联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电流范围较单功率模块提高了5倍，功率范围提高了5倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/6。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
59.实施例五
60.如图9所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机第二种直流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个逆变器42连接为直流双向buckboost电路；将每两个功率模块4组成一个功率组，六个功率模块4共计组成三个功率组，每个功率组中的两个功率模块4输出端串联，再将三个功率组的输出端通过相应的三个电感并联后连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端输出直流电源。6个功率模块4通过先串联再并联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电流范围较单功率模块提高了2倍,电压范围较单功率模块提高了1倍，功率范围提高了5倍，系统带宽提高了1倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/6。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
61.实施例六
62.如图10所示，为本发明一种宽范围高带宽可重构的电源单机第三种直流电源的实施例。本实施例中多绕组隔离变压器3的副边绕组数量为六个，功率模块4的数量也相应的为六个；每个功率模块4的整流组件包括一个整流器41，逆变组件包括两个逆变器42，两个逆变器42连接为直流buckboost电路；将每三个功率模块4组成一个功率组，六个功率模块4共计组成两个功率组，每个功率组中的三个功率模块4输出端串联，再将两个功率组的输出通过相应的两个电感并联后连接输出滤波单元5的输入端，滤波电源5的输出端输出直流电源。6个功率模块4通过先串联再并联及载波移相的工作方式，使电源单机的输出电压范围较单功率模块提高了2倍,电流范围较单功率模块提高了1倍，功率范围提高了5倍，系统带宽提高了2倍，输出电压纹波减小到单功率模块的1/6。同时，整流组件41通过载波移相的方式工作，输入并网电流纹波减小到单功率模块的1/6。
63.本发明还提供了一种宽范围高带宽可重构的组合电源，如图11所示，为本发明的一个实施例。本实施例中的组合电源包括六台上述的电源单机，六台电源单机7包括一台作为主机的电源单机7和五台作为从机的电源单机7；六台电源单机7均设置有高速数字并机
通信接口，且六台电源单机7通过各自的高速数字并机通信接口串并联连接，用于接收作为主机的电源单机的电流指令，或将电流指令传送至其他作为从机的电源单机。其中，各电源单机7可独立满功率运行，六台电源单机7也可串并联组合重构后运行。组合重构时，六台电源单机7通过各自的高速数字并机通信接口完成矩阵式串联或并联，实现宽范围、大容量的重新分配和组合重构。具体的，六台电源单机7串联可以提高输出电压范围，并实现主动均压控制，六台电源单机7并联可以提高输出功率范围，并实现主动均流控制。多台电源单机7组合重构时，其工作模式及保护机制统一协调完成。
64.本实施例中将每两台电源单机7分为一组，六台电源单机7共计分为三组，每组中的两台电源单机7串联后，再将三组串联后的输出进行并联，使输出电压范围提升1倍，电流范围提升2倍，功率范围提升5倍。
65.本发明提供的一种宽范围高带宽可重构的电源单机及组合电源，不仅实现了电源单机内部的模块化重构，多个电源单机之间通过高速数字并机通信接口控制实现了多台电源单机之间的重构。
66.以上所述，仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对上述实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分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发明所保护技术方案的范围。