基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器的制作方法

1.本发明涉及变换器技术领域，尤其涉及一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器。


背景技术：

2.现有技术中，多路电源或者负载均通过各自的电源变换器以共直流母线的方式连接在公共的直流母线上，以此实现电能的传输和调控。一方面使得系统中存在数量较多的变换器，另一方面由于所采用的接口变换器不具有电气隔离功能，因而难以消除传导性干扰对敏感负载的负面影响等。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器及变换器，能够解决现有技术中变换器过多且接口变换器不具有电气隔离功能所导致的传导性干扰对敏感负载的负面影响的技术问题。
4.根据本发明的一方面，提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器，能量路由器包括多个隔离四端口变换器、环形公共母线和储能系统，任一隔离四端口变换器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，多个隔离四端口变换器通过第一端口和第三端口首尾串联连接以形成环状结构，任一隔离四端口变换器的第一端口与位于其一侧的相邻的隔离四端口变换器的第三端口连接，任一隔离四端口变换器的第三端口与位于其另一侧的相邻的隔离四端口变换器的第一端口连接：多个隔离四端口变换器的第二端口均与环形公共母线连接，储能系统与环形公共母线连接，储能系统与多个隔离四端口变换器之间可实现电能交换，多个隔离四端口变换器的第四端口均用于连接第一负载或电源，任意两个相邻的隔离四端口变换器以及任意两个相邻的隔离四端口变换器的第二端口之间的环形公共母线的直流母线段形成一个配电分区，配电分区中的直流母线段用于连接第二负载，第二负载可从任意两个相邻的隔离四端口变换器、其他隔离四端口变换器的冗余功率或储能系统中获取电能。
5.进一步地，任一隔离四端口变换器的第二端口的端口电压v
p
的取值范围为v
pmin
≤v
p
≤v
pmax
，其中，v
pmin
为预设的环形公共母线电压值的下限值，v
pmax
为预设的环形公共母线电压值的上限值。
6.进一步地，能量路由器根据任一配电分区的负载端电压控制与配电分区中的相邻的两个隔离四端口变换器的工作模式。
7.进一步地，能量路由器根据任一配电分区的负载端电压控制与配电分区中的相邻的两个隔离四端口变换器的工作模式具体包括：将相邻的两个隔离四端口变换器中的其中一个隔离四端口变换器的第一端口作为负载供电的主端口，将另一个隔离四端口变换器的第一端口作为负载供电的从端口；主端口持续向第二负载进行供电，检测配电分区的负载端电压，能量路由器根据负载端电压控制从端口处于限流工作模式或并联工作模式。
8.进一步地，能量路由器根据负载端电压控制从端口处于限流工作模式或并联工作模式具体包括：当负载端电压大于或等于设定负载端电压时，从端口被限制进行电流输出；当负载端电压小于设定负载端电压时，从端口与主端口处于并联工作模式以共同向负载进行供电。
9.进一步地，能量路由器还包括双向dc/dc变换器，储能系统通过双向dc/dc变换器与环形公共母线连接。
10.进一步地，能量路由器包括四个隔离四端口变换器，任一隔离四端口变换器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一隔离四端口变换器的第三端口与第二隔离四端口变换器的第一端口连接，第二隔离四端口变换器的第三端口与第三隔离四端口变换器的第一端口连接，第三隔离四端口变换器的第三端口与第四隔离四端口变换器的第一端口连接，第四隔离四端口变换器的第三端口与第一隔离四端口变换器的第一端口连接；四个隔离四端口变换器的第二端口均与环形公共母线连接，储能系统与环形公共母线连接，四个隔离四端口变换器的第四端口均用于连接负载或电源，任意两个相邻的隔离四端口变换器以及任意两个相邻的隔离四端口变换器的第二端口之间的环形公共母线的直流母线段形成一个配电分区，配电分区中的直流母线段用于连接负载。
11.根据本发明的又一方面，提供了一种隔离三端口变换器，隔离三端口变换器包括第一电源、第二电源、第三电源、第一fb全桥变换器、第二fb全桥变换器、第三fb全桥变换器、变压器、第一负载和第二负载，变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组，第一电源与第一fb全桥变换器并联连接后与原边绕组连接以构成辅助电源分区，第二电源、第一负载与第二fb全桥变换器并联连接后与第一副边绕组连接以构成第一负载分区，第三电源、第二负载与第三fb全桥变换器并联连接后与第二副边绕组连接以构成第二负载分区。
12.进一步地，当第一负载分区的第二电源出现故障或者功率不足以支撑第一负载的消耗时，辅助电源分区中的第一电源和/或第二负载分区中的第三电源可用于向第一负载供电；当第二负载分区的第三电源出现故障或者功率不足以支撑第二负载的消耗时，辅助电源分区中的第一电源和/或第一负载分区中的第二电源可用于向第二负载供电。
13.应用本发明的技术方案，提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器，该能量路由器通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，并配合系统级调控策略，通过将多个隔离四端口变换器均与环形公共母线连接，储能系统与多个隔离四端口变换器之间可实现电能交换，来实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动，此种方式减少了变换器的数量，在实现电能灵活调控和跨电压等级传输的同时，达到提升整个配电系统的可靠性、容错能力以及持续供电能力的目的；将单个隔离四端口变换器视为一个电能变换节点，由于隔离四端口变换器各端口之间是没有电气连接的，除了互联端口是共地的之外，其余端口之间均是隔离的，因此可有效消除传导性干扰对敏感负载的负面影响；再者，隔离四端口变换器可以实现高效的电能变换，具有紧凑的拓扑结构，以及可以同时接入并处理多路不同电压等级的电源和负载，并且通过控制可实现电能在多个端口之间的任意和灵活的传输，通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，能够实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动。
附图说明
14.所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
15.图1示出了根据本发明的具体实施例提供的基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器的拓扑示意图；
16.图2示出了根据本发明的具体实施例提供的单个隔离三端口变换器构成的电能路由器示意图；
17.图3示出了根据本发明的具体实施例提供的单个隔离四端口变换器的拓扑结构及其简化图例示意图。
18.其中，上述附图包括以下附图标记：
19.10、隔离四端口变换器；11、第一隔离四端口变换器；12、第二隔离四端口变换器；13、第三隔离四端口变换器；14、第四隔离四端口变换器；20、环形公共母线；30、储能系统；40、双向dc/dc变换器；100、第一电源；200、第二电源；300、第三电源；400、第一fb全桥变换器；500、第二fb全桥变换器；600、第三fb全桥变换器；700、变压器；800、第一负载；900、第二负载。
具体实施方式
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
22.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
23.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器，该能量路由器包括多个隔离四端口变换器10、环形公共母线20和储能系
统30，任一隔离四端口变换器10均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，多个隔离四端口变换器10通过第一端口和第三端口首尾串联连接以形成环状结构，任一隔离四端口变换器10的第一端口与位于其一侧的相邻的隔离四端口变换器10的第三端口连接，任一隔离四端口变换器10的第三端口与位于其另一侧的相邻的隔离四端口变换器10的第一端口连接：多个隔离四端口变换器10的第二端口均与环形公共母线20连接，储能系统30与环形公共母线20连接，储能系统30与多个隔离四端口变换器10之间可实现电能交换，多个隔离四端口变换器10的第四端口均用于连接第一负载或电源，任意两个相邻的隔离四端口变换器10以及任意两个相邻的隔离四端口变换器10的第二端口之间的环形公共母线20的直流母线段形成一个配电分区，配电分区中的直流母线段用于连接第二负载，第二负载可从任意两个相邻的隔离四端口变换器10、其他隔离四端口变换器10的冗余功率或储能系统30中获取电能。
24.应用此种配置方式，提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器，该能量路由器通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，并配合系统级调控策略，通过将多个隔离四端口变换器均与环形公共母线连接，储能系统与多个隔离四端口变换器之间可实现电能交换，来实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动，此种方式减少了变换器的数量，在实现电能灵活调控和跨电压等级传输的同时，达到提升整个配电系统的可靠性、容错能力以及持续供电能力的目的；将单个隔离四端口变换器视为一个电能变换节点，由于隔离四端口变换器各端口之间是没有电气连接的，除了互联端口是共地的之外，其余端口之间均是隔离的，因此可有效消除传导性干扰对敏感负载的负面影响；再者，隔离四端口变换器可以实现高效的电能变换，具有紧凑的拓扑结构，以及可以同时接入并处理多路不同电压等级的电源和负载，并且通过控制可实现电能在多个端口之间的任意和灵活的传输，通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，能够实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动。
25.具体地，在本发明中，本发明的基本单元是隔离四有源桥变换器(quad-active-bridge，qab)，简称四端口变换器及其在本专利中的简化图例，如图3所示。隔离四端口变换器包含一个四绕组的高频隔离变压器(high frequency transformer，hft)，绕组匝比为n1：n2：n3：n4。每一个绕组的两端分别连接在各自全桥(full bridge，fb)变换器两个桥臂的中点，通过控制各全桥变换器桥臂中点电压vi(i＝1，2，3，4)之间的相位角的大小，达到对各端口之间电能大小及方向的控制。隔离四端口变换器本身为较成熟技术，在此不再赘述。
26.进一步地，在本发明中，为了能够实现对负载的可靠供电，能量路由器根据任一配电分区的负载端电压控制与配电分区中的相邻的两个隔离四端口变换器10的工作模式。其中，能量路由器根据任一配电分区的负载端电压控制与配电分区中的相邻的两个隔离四端口变换器10的工作模式具体包括：将相邻的两个隔离四端口变换器10中的其中一个隔离四端口变换器10的第一端口作为负载供电的主端口，将另一个隔离四端口变换器10的第一端口作为负载供电的从端口；主端口持续向负载进行供电，检测配电分区的负载端电压，能量路由器根据负载端电压控制从端口处于限流工作模式或并联工作模式。
27.具体地，在本发明中，能量路由器根据负载端电压控制从端口处于限流工作模式或并联工作模式具体包括：当负载端电压大于或等于设定负载端电压时，从端口被限制进
行电流输出，此时表示主电源端口可以为负载提供足够的功率，从电源端口无需工作；当负载端电压小于设定负载端电压时，从端口与主端口处于并联工作模式以共同向负载进行供电，此时表示负载较重，主电源端口功率不足，需要从电源端口提供部分功率。
28.进一步地，在本发明中，为了实现储能系统30与多个隔离四端口变换器之间的能量交换，可将能量路由器配置为还包括双向dc/dc变换器40，储能系统30通过双向dc/dc变换器40与环形公共母线20连接。
29.为了对本发明有进一步地了解，下面结合图1对本发明的第一具体实施例进行详细说明。
30.如图1所示，根据本发明的具体实施例提供了一种能量路由器，该能量路由器包括四个隔离四端口变换器，任一隔离四端口变换器均包括第一端口、第二端口、第三端口和第四端口，第一隔离四端口变换器11的第三端口与第二隔离四端口变换器12的第一端口连接，第二隔离四端口变换器12的第三端口与第三隔离四端口变换器13的第一端口连接，第三隔离四端口变换器13的第三端口与第四隔离四端口变换器14的第一端口连接，第四隔离四端口变换器14的第三端口与第一隔离四端口变换器11的第一端口连接；四个隔离四端口变换器10的第二端口均与环形公共母线20连接，储能系统30与环形公共母线20连接，四个隔离四端口变换器的第四端口均用于连接第一负载或电源，任意两个相邻的隔离四端口变换器以及任意两个相邻的隔离四端口变换器的第二端口之间的环形公共母线的直流母线段形成一个配电分区，配电分区中的直流母线段用于连接第二负载。
31.如图1所示，本发明所述的能量路由器包括四个隔离三端口变换器分别记为qabi(i＝1，2，3，4)，且各变换器的端口分别记为p
ij
(i＝1，2，3，4；j＝1，2，3，4)。各qab变换器互联的基本原则如下：每个qab变换器的一个端口均与环形公共直流母线连接，将该母线作为共用的能量传输通道，并且也可在该环形互联直流母线上配置公共的储能系统；每个qab变换器均可设置一个专门的电源端口或者储能端口；如图1所示有4个配电分区(zone)，各配电分区的电能供给可靠性由相邻两个qab变换器各一个端口来保障。根据实际需要，正常情况下可由其中一个端口作为某个配电分区的主电源，另一个作为热备份或者待机模式。在一个端口故障或者不足以提供负载所需功率的情况下可作为备用的供电路径，或者说可以用以实现供电线路的重构。qab1的p
13
端口与qab2的p
21
端口相连接，qab2的p
23
端口与qab3的p
31
端口相连接，qab3的p
33
端口与qab4的p
41
端口相连接，qab4的p
43
端口与qab1的p
11
端口相连接，上述连接关系以qab1～qab4为节点，构成一个环状配电结构，本专利中称之为“内环”。
32.将qab1的p
12
端口、qab2的p
22
端口、qab3的p
32
端口以及qab4的p
42
端口连接在公共的环形直流母线上，并在此环形直流母线上通过一个双向dc/dc变换器连接储能系统ess。该环形连接关系位于前述“内环”的外部，在本专利中称其为“外环”。此处所说的“内环”和“外环”为相对概念，作为其他实施例，也可将此处所说的“外环”位于“内环”中。
33.qabi的p
i4
(i＝1，2，3，4)端口为广义的源载端口，根据实际需要可接入电源或者负载。如图1所示，qab1的p
14
端口接入电源ps1，qab2的p
24
端口接入电源ps2，qab3的p
34
端口接入电源ps3，qab4的p
44
端口接入负载ps4。由于各p
i4
端口是隔离的，因此ps1～ps4具有不同的隔离的电源参考地gnd1～gnd4。
34.更多的负载可配置在“外环”母线上。对照附图2，将负载z
12
(将实际系统中的多个负载用该参数集中表示)连接在端口p
13
和端口p
21
之间的直流母线上，将负载z
23
连接在端口
p
23
和端口p
31
之间的直流母线上，将负载z
34
连接在端口p
33
和端口p
41
之间的直流母线上，将负载z
41
连接在端口p
43
和端口p
11
之间的直流母线上。由于隔离四端口变换器各端口之间是没有电气连接的，除了互联端口是共地的之外，其余端口之间均是隔离的，因此如附图2中所示的gnd5～gnd9均代表隔离的负载电源参考地。
35.对于系统中的任意一个隔离qabi(i＝1，2，3，4)变换器，将其与公共直流母线连接的p
i2
(i＝1，2，3，4)端口的电压v
p
(即为公共直流母线电压)控制在v
pmin
≤v
p
≤v
pmax
范围，其中，v
pmin
为预设的环形公共母线20电压值的下限值，v
pmax
为预设的环形公共母线20电压值的上限值，并以此直流母线电压值作为整个系统各qab变换器实现电能协调控制并保持公共直流母线电压稳定的信息交互变量。
36.控制任意一个隔离qabi(i＝1，2，3，4)变换器的p
i3
(i＝1，2，3，4)端口为电压源(例如p
13
)，并作为负载供电的主端口；而将与其相邻的qab变换器的p
i1
(i＝1，2，3，4)端口作为从电源端口。当负载端电压大于或等于设定负载端电压时，从端口被限制进行电流输出，此时表示主电源端口可以为负载提供足够的功率，从电源端口无需工作；当所述负载端电压小于设定负载端电压时，所述从端口与所述主端口处于并联工作模式，共同向所述负载进行供电，此时表示负载较重，主电源端口功率不足，需要从电源端口提供部分功率。通过检测该配电分区的负载端电压，该从电源端口可以被控制工作于限流输出(输出电流近似为0)的电压控制模式(热备份模式)、并联模式，或者在系统不要求无缝转换的情况下可以设置电子开关进行切换。即系统中任意一个qab变换器均具有一个主电源端口和一个作为负载供电线路重构(备份)的从电源端口。
37.在图1所示的拓扑结构中，通过变换和控制，任意一个配电分区中的负载除了可以从相邻的两个qab变换器电源获取电能外，在必要的情况下还可以通过公共直流母线分享其它qab变换器的冗余功率以及储能系统存储的电能。在结构形式上，图1中的“外环”公共直流母线像一道屏障对内环主配电系统形成防护。其机理在于各qabi(i＝1，2，3，4)变换器均通过一个端口与该直流母线连接，在其自身或者相邻的qab变换器电源功率不足情况下，可以通过公共直流母线利用其它qab变换器的冗余功率，从而达到提升整个配电系统可靠性和持续供电能力的目的。
38.在本发明中，连接在“外环”公共直流母线上的储能系统ess主要具有三个方面的作用：其一是起到支撑公共直流母线电压的目的；其二是作为共享资源可作为系统中所有qab变换器的备用电源，在必要的时候供给任意配电分区中的负载；其三是起到平抑系统中能量波动的目的。ess储能系统通过双向dc/dc变换器(此处的双向dc/dc变换器用于支持电能双向流动，如果只需要储能吸收或者释放电能则可采用单向的dc/dc变换器)连接在公共直流母线电压母线上，实现了ess端电压、充电电流和公共直流母线电压v
p
在一定范围内变化之间的解耦，简化系统控制。在正常情况下可根据ess储能系统的荷电状态(state of charge，soc)，通过对dc/dc变换器的控制实施专门的充电控制。
39.根据本发明的另一方面，提供了一种隔离三端口变换器，该隔离三端口变换器包括第一电源100、第二电源200、第三电源300、第一fb全桥变换器400、第二fb全桥变换器500、第三fb全桥变换器600、变压器700、第一负载800和第二负载900，变压器700包括原边绕组701、第一副边绕组702和第二副边绕组703，第一电源100与第一fb全桥变换器400并联连接后与原边绕组701连接以构成辅助电源分区，第二电源200、第一负载800与第二fb全桥
变换器500并联连接后与第一副边绕组702连接以构成第一负载分区，第三电源300、第二负载900与第三fb全桥变换器600并联连接后与第二副边绕组703连接以构成第二负载分区。
40.在此种配置方式下，提供了一种隔离三端口变换器，该隔离三端口变换器是在第一实施例的基础上，根据实际情况可对隔离四端口变换器的数量进行增减极端情况下系统中仅有一个qab变换器，此时，由于公共直流母线不再存在，隔离四端口的qab变换器可退化为一个隔离三端口变换器，构成该实施例中的隔离三端口变换器，具体如图2所示。在该系统中，电能可在两个负载分区(如图2所示的分区2和分区3)和辅助电源分区(如图2所示的分区1)之间任意的流动；可以实现跨电压等级的电能传输；各配电分区互为热备份，例如若分区2中的电源u2故障或者功率不足以支撑其负载z2的消耗，则可由分区1中的u1或分区3中的u3或两者的组合为分区2中的负载供电；可以使配电系统具有更加良好的容错性能，从而提升配电的可靠性。此外，各个fb全桥变换器500之间相互隔离，从而能够有效消除传导性干扰对敏感负载的负面影响。
41.具体地，在本发明中，当第一负载分区的第二电源200出现故障或者功率不足以支撑第一负载800的消耗时，辅助电源分区中的第一电源100和/或第二负载分区中的第三电源300可用于向第一负载800供电；当第二负载分区的第三电源300出现故障或者功率不足以支撑第二负载900的消耗时，辅助电源分区中的第一电源100和/或第一负载分区中的第二电源200可用于向第二负载900供电。
42.综上所述，本发明提供了一种基于隔离四端口变换器互联构成的能量路由器，该能量路由器通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，并配合系统级调控策略，通过将多个隔离四端口变换器均与环形公共母线连接，储能系统与多个隔离四端口变换器之间可实现电能交换，来实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动，此种方式减少了变换器的数量，在实现电能灵活调控和跨电压等级传输的同时，达到提升整个配电系统的可靠性、容错能力以及持续供电能力的目的；将单个隔离四端口变换器视为一个电能变换节点，由于隔离四端口变换器各端口之间是没有电气连接的，除了互联端口是共地的之外，其余端口之间均是隔离的，因此可有效消除传导性干扰对敏感负载的负面影响；再者，隔离四端口变换器可以实现高效的电能变换，具有紧凑的拓扑结构，以及可以同时接入并处理多路不同电压等级的电源和负载，并且通过控制可实现电能在多个端口之间的任意和灵活的传输，通过将多个隔离四端口变换器按照一定的规则互联，能够实现电能在各个多端口变换器节点之间可控和协调的流动。
43.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
44.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本
发明保护范围的限制。
45.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。