基于共高频链的多端口电能变换系统及其控制方法

本发明涉及电力电子功率变换，特别是一种基于共高频链的多端口电能变换系统及其控制方法。

背景技术：

1、随着分布式新能源、储能装置、充换电负载以及交直流负载的接入，传统单输入单输出变换器已难以满足多端口能量汇集、分配和双向调节的需求。面向电网、储能、新能源和多类负载的多端口电能路由器，不仅需要实现不同端口之间的功率双向流动，还需要兼顾电气隔离、电压等级适配、模块化扩展、故障隔离以及高功率密度等工程要求。

2、现有工频变压器隔离架构具有成熟的绝缘和电压变换能力，但其体积、质量和材料用量随功率等级增加而显著上升，并且难以对多端口潮流、电压支撑和端口间动态耦合进行快速调节。常见的多端口电能路由实现方式为低压直流母线式多端口电能路由架构，该架构需围绕直流母线为不同源荷端口配置独立的整流、逆变、隔离dc/dc或dc/ac变换环节，功率传输路径长、变换级数多，系统效率受各级变换效率连乘限制，硬件数量、控制复杂度和潜在故障点会随端口类型增加而明显上升。尤其无线充电wpt端口接入时，需额外增设独立高频逆变器生成高频交流，再送入补偿网络和耦合器完成能量传输，进一步拉长了能量链路，增加了高频功率器件和控制接口的使用数量。

3、当前主流的多绕组高频变压器型为多有源桥变换器，多有源桥变换器虽在高压差、高隔离端口场景具备成熟的绝缘设计优势，但完全依赖磁耦合实现端口间能量交互，高频变压器的励磁电感、漏感、绕组内阻、寄生电容等参数会直接影响端口功率传输特性。随着端口数量增加，绕组布置、绝缘结构复杂度同步上升，漏感一致性难以保证，端口间寄生耦合和环流抑制难度大幅提升，还易引发高频母线振荡；同时磁芯损耗、趋肤效应、邻近效应等因素也会进一步限制开关频率和系统功率密度的提升，端口扩展时需重新设计多绕组排布、绝缘间距和漏感分配方案，模块化扩展能力存在明显瓶颈。

技术实现思路

1、本发明的目的就是提供一种基于共高频链的多端口电能变换系统及其控制方法。用于解决现有多端口电能变换系统存在的变换级数多，完全依赖磁耦合端口时磁性器件体积和参数一致性压力较大，完全采用电容隔离时高压差或高隔离端口缺少变比适配能力，wpt端口难以直接接入公共高频链，以及不同电压等级端口间环流和电流应力较高以及软开关运行范围受限的技术问题。

2、首先，本技术提供一种基于共高频链的多端口电能变换系统，包括至少三个电容式端口组件，以及wpt端口组件或/和变压器端口组件，所述电容式端口组件、wpt端口组件和变压器端口组件均与公共高频链连接，所述公共高频链用于实现电容式端口组件、变压器端口组件和wpt端口组件之间的能量汇集、传输和分配；

3、所述电容式端口组件包括第一移相电感、第一隔离电容、第二隔离电容和第一h桥单元，所述第一h桥单元的一个交流端依次串联第一移相电感和第一隔离电容后，接入公共高频链的一根高频交流母线；所述第一h桥单元的另一个交流端串联第二隔离电容后，接入公共高频链的另一根高频交流母线，若干电容式端口组件之间电气隔离。

4、可选的，所述变压器端口组件包括第二移相电感、高频变压器、第二h桥单元，所述高频变压器的母线侧绕制与公共高频链连接，所述高频变压器的端口侧绕制通过第二移相电感与第二h桥单元‌连接。

5、可选的，所述变压器端口组件的数量为两个及以上，至少两个变压器端口组件的高频变压器为一个多绕组高频变压器；

6、所述多绕组高频变压器包括接入公共高频链的母线侧绕组，以及至少两个端口侧绕组，至少两个端口侧绕组通过第二移相电感分别与至少两个第二h桥单元的交流端连接。

7、可选的，所述wpt端口组件包括相互耦合的发射侧和接收侧；

8、所述发射侧包括相互连接的发射线圈和发射侧谐振补偿电路，所述发射侧谐振补偿电路与公共高频链连接，所述发射侧谐振补偿电路为lcc拓扑结构。

9、可选的，所述电容式端口组件和变压器端口组件还包括直流支撑电容，所述直流支撑电容并联在第一h桥单元和第二h桥单元的两个直流端之间。

10、可选的，定义电容式端口组件和变压器端口组件为主动端口组件，所述主动端口组件通过公共高频链形成等效为y型网络的端口连接结构，并通过y-δ阻抗变换得到任意两端口组件之间的虚拟支路电感，表征端口间功率传输通道。

11、其次，本技术提供一种基于共高频链的多端口电能变换系统的控制方法，用于控制上述的基于共高频链的多端口电能变换系统，具体步骤为：

12、s1：采样主动端口组件的工作参数，并将工作参数折算至公共高频链侧，所述工作参数包括直流电压、电流、实时功率及工作状态；

13、s2：基于主动端口组件的工作参数，更新主动端口组件的内移相角，所述内移相角用于调整端口高频交流电压的等效基波幅值；

14、s3：通过电压闭环或电流闭环计算各端口外移相角，所述外移相角用于调节端口间相位差和有功功率传输；

15、s4：将内移相角与外移相角合成为各主动端口组件的h桥单元的pwm驱动信号。

16、可选的，步骤s2中具体方法为：判断是否满足内移相比更新条件：若否，则保持上一控制周期的内移相比不变；

17、若是，则选取参与功率传输的主动端口组件中，最低折算直流电压的主动端口组件作为内移相的基准，设定主动端口组件的内移相角为零；依据主动各端口组件折算直流电压与最低折算直流电压的幅值匹配关系计算其余端口的内移相角。

18、可选的，步骤s2中内移相比更新条件为：主动端口组件电压变化超过阈值，或最低电压的主动端口组件发生变化，或主动端口组件工作状态发生切换。

19、可选的，在主动端口组件直流电压不匹配的单输入多输出工况或多输入多输出工况下，通过降低虚拟支路的同频无功功率分量来减小高频链路环流、电感电流峰值或电感电流有效值。

20、由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：

21、1、本技术各端口组件通过公共高频链直接进行高频功率交换，相较于先建立公共直流母线再通过多个隔离变换器进行功率分配的架构，减少能量变换的中间环节，降低多级功率变换效率连乘所带来的累计损耗。

22、2、本技术常规源荷储端口作为电容式端口组件通过隔离电容接入公共高频链，高压差或高隔离端口作为变压器端口组件接入，wpt端口组件通过原边补偿网络接入，形成电容式端口组件为主体与异构功能端口组件兼容的混合架构，从而兼顾电容式端口的高频化潜力和变压器端口的变比、绝缘优势。

23、3、本技术对于电容式端口组件，采用隔离电容实现端口间直流隔离和高频功率耦合，减少常规端口对多绕组高频变压器的依赖，可降低磁芯损耗、励磁电流、绕组铜损以及磁性器件体积约束，提升高频化和功率密度潜力，有利于提高开关频率并实现紧凑化、平面化设计。

24、4、本技术新增电容式端口组件时，配置相应h桥、移相电感和隔离电容后并接入公共高频链；新增变压器端口组件通过母线侧绕组和端口侧绕组折算接入；新增wpt端口组件通过lcc-s或双边lcc补偿网络接入。不同端口可按应用需求组合，而不必为所有端口重新设计复杂磁件，提高端口扩展灵活性。

25、5、本技术电容式端口组件、变压器端口组件和wpt端口组件等效支路均可在公共高频链侧表示为等效电压、等效阻抗或等效负载，有利于建立统一的y-δ虚拟支路模型，并便于进行功率分配分析和控制参数设计。

26、6、本技术公共高频链为wpt端口组件的原边lcc谐振补偿电路提供高频交流接口，使lcc-s型或双边lcc型无线电能传输支路能够与电容式端口组件共用同一高频链路，减少无线充电系统与多端口电能路由器之间的额外交直流变换级。

27、7、本技术外移相角用于调节端口间有功功率流向和传输功率，内移相角用于调整端口高频交流电压的等效基波幅值，从而在端口电压匹配或不匹配工况下实现基波幅值匹配、环流抑制和移相电感电流有效值降低，兼顾了功率调节与电流优化。

28、8、本技术在端口电压不匹配或多功率流运行条件下，内移相调制可改善开关时刻的电流条件，实现对开关器件寄生电容的预充放电，从而提高多端口工况下实现软开关的能力，降低高频运行时的开关损耗。

29、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。