一种多端口变换器及其设计方法与流程

本发明属于电力电子，具体涉及一种紧凑化高效率的多端口变换器拓扑及其设计方法。

背景技术：

1、由于可再生能源的波动性高、本地负载随机投切等多种因素，使得应用于新能源制氢的多端口电力电子变换器的各端口动态特性在时间尺度上差异较大，系统惯量不足，这对设备的动态行为能力提出更高要求，而现有技术中的多端口电力电子变换器存在端口动态匹配能力不足的问题；同时，多端口变换器需要完成宽电压范围、大电压变比的能源转换，变换器内还需提供惯量支撑，因此在有限空间中，绝缘、散热、电磁兼容等各种问题越发突出，而且使得功率密度不高；另外，电-热-氢转换系统对电气隔离、电磁干扰、功率调控速率、涉氢防爆隔离有严苛要求，在紧凑化、高集成的设备结构中，这些问题更为严峻；而且，由于多能源接入端口行为交互交织，故障情况复杂，导致灵活可控性不足。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的不足，本发明提供一种多端口变换器及其设计方法，以解决当前多端口电力电子变换器存在端口动态匹配能力不足、紧凑化及功率密度不高、灵活可控性不足的问题。

2、本发明采用如下的技术方案。

3、本发明提出了一种多端口变换器，包括n个并联的子模块、1台三相逆变器、三个直流端口和一个交流端口，n为大于等于2的整数；其中，每个子模块包括：3个变换器单元和1个高频多绕组变压器；

4、n个并联的子模块的第1直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第一直流端口；n个并联的子模块的第2直流输入输出端并联连接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的交流侧构成多端口变换器的交流端口；n个并联的子模块的第3直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第二直流端口；n个并联的子模块的第4直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第三直流端口；

5、多端口变换器的三个直流端口和一个交流端口均能输入和输出电能；利用第2变换器单元调节第二直流端口的直流电压，利用第3变换器单元调节第三直流端口的直流电压，通过级联第2变换器单元和第3变换器单元调节交流端口、第二直流端口和第三直流端口的传输功率。

6、每个子模块包括4个直流输入输出端；

7、其中，第1变换器单元的一端连接第1直流输入输出端、另一端连接高频多绕组变压器的第1绕组；第2变换器单元的一端连接第2直流输入输出端和第3直流输入输出端、另一端连接高频多绕组变压器的第2绕组；第3变换器单元的一端连接第4直流输入输出端、另一端连接高频多绕组变压器的第3绕组。

8、第2变换器的直流正极母线与第3变换器的直流正极母线之间设置第1互联开关，第2变换器的直流负极母线与第3变换器的直流负极母线之间设置第2互联开关；

9、当高频多绕组变压器的第2绕组和第3绕组的变比为1:1、且多端口变换器的第三直流端口开路时，闭合第1互联开关和第2互联开关以级联第2变换器单元和第3变换器单元，加大交流端口和第二直流端口的传输功率；

10、当高频多绕组变压器的第2绕组和第3绕组的变比为1:1、且多端口变换器的交流端口和第二直流端口均开路时，闭合第1互联开关和第2互联开关以级联第2变换器单元和第3变换器单元，加大第三直流端口的传输功率。

11、第1变换器单元包括：第1支撑电容、第1变换器、第1串联电容以及第1串联电感；第1支撑电容并联在第1变换器的直流侧，第1串联电容以及第1串联电感串联在第1变换器的交流侧；在第1支撑电容的稳压作用下，第1直流输入输出端的第一直流电压经第1变换器转换为高频交流电流，交流电流经第1串联电容以及第1串联电感流入高频多绕组变压器的第1绕组；

12、第1直流输入输出端的正极连接第1主接触器的一端和第1预充电接触器的一端，第2直流接触器的另一端连接第1预充电电阻的一端，第1预充电电阻的另一端和第1主流接触器的另一端连接第1支撑电容的一端；第1直流输入输出端的负极连接第1直流熔断器的一端，第1直流熔断器的另一端连接第1支撑电容的另一端；第1主接触器，用于导通和开断第1变换器与第1直流输入输出端正极的连接；第1预充电接触器和第1预充电电阻串联后，用于第1变换器的直流侧启动时，对第1支撑电容进行充电软启动；第1直流熔断器，用于当第1直流输入输出端短路时，切除故障电流。

13、第2变换器单元包括：第2支撑电容、第2变换器、第2串联电容、第2串联电感以及第1直流斩波器；第2支撑电容并联在第2变换器的直流侧，第2串联电容以及第2串联电感串联在第2变换器的交流侧；高频多绕组变压器的第2绕组的交流电流经第2串联电感以及第2串联电容流入第2变换器的交流侧后，经第2变换器转换为第二直流电压，在第2支撑电容的稳压作用下，第二直流电压分别经第2直流输入输出端传输至三相逆变器的直流侧、经第1直流斩波器传输至第3直流端口输入输出端；

14、第2直流输入输出端的正极连接第2主接触器的一端，第2主接触器的另一端连接第2滤波电感的一端，第2滤波电感的另一端连接第2支撑电容的一端、第2变换器的第一桥臂的一端和第二桥臂的一端，第2直流输入输出端的负极连接第2直流熔断器的一端，第2直流熔断器的另一端连接第2支撑电容的另一端、第2变换器的第一桥臂的另一端和第二桥臂的另一端，第2变换器的第一桥臂的中点连接第2串联电容的一端，第2串联电容的另一端连接第2串联电感的一端，第2串联电感的另一端连接高频多绕组变压器的第2绕组的一端，高频多绕组变压器的第2绕组的另一端连接第2变换器的第二桥臂的中点；其中，第2主接触器，用于导通和开断第2变换器与三相逆变器直流侧的连接；第2直流熔断器，用于当第2直流输入输出端短路时，切除故障电流；

15、第3直流输入输出端的正极连接第2预充电电阻的一端和第3主接触器的一端，第2预充电电阻的另一端连接第2预充电接触器的一端，第3主接触器的另一端和第2预充电接触器的另一端，与第1储能电感的一端和第1储能电容的一端连接，第1储能电感的另一端连接第1半桥电路的中点，第1半桥电路的一端连接第2支撑电容的一端，第1半桥电路的另一端连接第2支撑电容的另一端。第1储能电容的另一端连接第3直流熔断器的一端，第3直流熔断器的另一端连接第3直流输入输出端的负极；其中，第3主接触器，用于导通和开断第2变换器与第3直流输入输出端正极的连接；第2预充电接触器和第2预充电电阻串联后，用于第2变换器的直流侧启动时，对第2支撑电容进行充电软启动；第3直流熔断器，用于当第3直流输入输出端短路时，切除故障电流。

16、第1直流斩波器包括：第1半桥电路、第1储能电感和第1储能电容；其中，第1半桥电路包括2个串联连接的开关器件，每个开关器件反并联一个二极管；

17、当第3直流端口输入输出端用于输入能量时，第1直流斩波器作为boost电路使用，对第二直流电压进行升压；当第3直流端口输入输出端用于输出能量时，第1直流斩波器作为buck电路使用，对第二直流电压进行降压。

18、第3变换器单元包括：第3支撑电容、第3变换器、第3串联电容、第3串联电感、第2直流斩波器、第3直流斩波器、第4直流斩波器以及第5直流斩波器；第3支撑电容并联在第3变换器的直流侧，第3串联电容以及第3串联电感串联在第3变换器的交流侧；高频多绕组变压器的第3绕组的交流电流经第3串联电感以及第3串联电容流入第3变换器的交流侧后，经第3变换器转换为直流电压，在第3支撑电容的稳压作用下，第3变换器输出的直流电压经第2直流斩波器、第3直流斩波器、第4直流斩波器以及第5直流斩波器后，得到第4直流端口输入输出端的第三直流电压；

19、第4直流输入输出端的正极连接第4主接触器的一端，第4主接触器的另一端与第2储能电容的一端、第2储能电感的一端、第3储能电感的一端、第4储能电感的一端以及第5储能电感的一端；第2储能电感的一端连接第2半桥电路的中点，第3储能电感的一端连接第3半桥电路的中点，第4储能电感的一端连接第4半桥电路的中点以及第5储能电感的一端连接第5半桥电路的中点；第2半桥电路的一端连接第3支撑电容的一端，第2半桥电路的另一端连接第2储能电容的另一端；第3半桥电路的一端连接第3支撑电容的一端，第3半桥电路的另一端连接第2储能电容的另一端；第4半桥电路的一端连接第3支撑电容的一端，第4半桥电路的另一端连接第2储能电容的另一端；第5半桥电路的一端连接第3支撑电容的一端，第5半桥电路的另一端连接第2储能电容的另一端。第2储能电容的另一端还连接第4直流熔断器的一端，第4直流熔断器的另一端连接第4直流输入输出端的负极；第4主接触器，用于导通和开断第3变换器与第4直流输入输出端正极的连接；第4直流熔断器，用于当第4直流输入输出端短路时，切除故障电流。

20、第2、3、4、5直流斩波器的电路结构与第1直流斩波器的电路结构一致，当第4直流端口输入输出端用于输入能量时，第2、3、4、5直流斩波器级联后作为boost电路使用，对第三直流电压进行升压；当第4直流端口输入输出端用于输出能量时，第2、3、4、5直流斩波器级联后作为buck电路使用，对第三直流电压进行降压。

21、各变换器均采用高频dc/ac双向变换拓扑结构，包括h桥电路。

22、本发明还提出了一种多端口变换器的设计方法，包括：

23、步骤1，根据多端口变换器的应用场景，获取多端口变换器的第j端口的额定功率pj和运行电压范围[uj_min,uj_max]，其中，j＝1,2,3,4分别对应第一直流端口、交流端口、第二直流端口以及第三直流端口；获取子模块中开关器件的电流有效值ij；

24、步骤2，在多端口变换器满足1.2倍过流短时运行的约束条件下，以如下关系式计算子模块的数量：

25、

26、式中，k为子模块中开关器件的电流有效值的设计裕度，maxj{}表示在各端口中取最大值；

27、步骤3，基于交流端口、第二直流端口以及第三直流端口的额定功率之和，分别计算第2变换器的功率密度指标和第3变换器的功率密度指标；当高频多绕组变压器的第1绕组和第2绕组的变比为1时，若n个第2变换器的功率密度指标平均值和n个第3变换器的功率密度指标平均值的比值小于设定阈值，则重新确定各端口的额定功率后执行步骤2以更新子模块的数量；若n个第2变换器的功率密度指标平均值和n个第3变换器的功率密度指标平均值的比值不小于设定阈值，则输出子模块的数量；

28、步骤4，n个并联的子模块的第1直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第一直流端口；n个并联的子模块的第2直流输入输出端并联连接在三相逆变器的直流侧，三相逆变器的交流侧构成多端口变换器的交流端口；n个并联的子模块的第3直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第二直流端口；n个并联的子模块的第4直流输入输出端并联连接，以构成多端口变换器的第三直流端口。

29、本发明的有益效果在于，与现有技术相比至少包括，该多端口变换器拓扑各端口均可双向运行，方向可灵活配置，多端口高频磁集成，可同时具有光伏、燃料电池、制氢、母线并网、储能、其它负载的接入能力，且各端口的电压等级及功率也可根据实际需求灵活配置，从而同时输出不同的电压等级及功率，实现电压随动、新能源发电自匹配，各端口动态匹配能力强。并可灵活串并联，可有效提升多端口电力电子变换器的功率密度、效率及可控性，使多能源耦合制氢系统占地更小、整体效率更高；使多能流控制更为灵活，故障穿越能力更强；同时可利用储能、制氢克服新能源发电间歇性、减少弃风弃光，为新能源发电的消纳和绿氢产业发展提供技术支撑。