一种交流-直流电能变换系统

1.本实用新型涉及但不仅限于直流电源领域，更具体地，涉及一种交流-直流电能变换系统。


背景技术：

2.直流电源为用电设备提供电压可调并满足一定性能指标要求的直流电能，在各行各业应用非常广泛，典型应用场合包括数据中心、电动汽车充电站及各类工业设备等。直流电源通常包含一个将电网交流电转换为直流电的ac-dc(交流-直流)转换部分，随着直流电源应用容量的日益增加，对输入侧电网功率因数、谐波的影响也越来越严重。为减少对电网的不利影响，需要设计新型的ac-dc电源转换系统，以提高系统功率因数，降低对电网的谐波污染，同时还要保持变换的高效率及装置的经济性。
3.图1为现有方案提供的ac-dc电源转换器，如图1所示，ac-dc电源转换器中的移相变压器具有至少一个副边绕组，并且将这些副边绕组设置成至少一个绕组单元，从而可根据每一绕组单元中实际的绕组数量来提供不同的相移角度，以减少电流中的谐波分量和增加系统的功率因数，并通过负荷投切负荷使变压器副边输出电流均衡。
4.然而，通过冗余负载投切解决各变压器副边输出电流不平衡问题，其均衡手段很复杂，实施较为困难，并且运行成本增加。


技术实现要素：

5.本实用新型实施例提供了一种交流-直流电能变换系统，包括：用于将电网三相交流电通过n个输出绕组分别输出n路交流电的移相变压器、用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电流值的检测装置，以及用于根据n组输出绕组输出的交流电的电流值确定所需输出的均衡电流值的控制装置，以及用于将每一个输出绕组输出的交流电转换为直流电，并根据所述均衡电流值调整自身的输出模式，以使输出的电流为所述均衡电流值的整流装置；
6.所述移相变压器包括n个输出绕组，n≥2，任意两个输出绕组输出的交流电的移相角度不同；
7.所述整流装置为n组，所述移相变压器的每一输出绕组分别与一组整流装置连接，每一组整流装置分别与所述控制装置连接；
8.所述检测装置设置在所述移相变压器的输出回路上。
9.在一示例中，每一组整流装置包括用于获取所述控制装置输出的均衡电流值，并根据所述均衡电流值输出一控制信号的控制模块，以及m个整流模块，m为正整数；
10.所述控制模块分别与一个输出绕组和所述控制装置连接，所述控制信号用于分别控制每一个整流模块的输出模式，以使一个输出绕组输出的交流电通过一组整流装置转换为直流电，且每一组整流装置输出的电流为所述均衡电流值。
11.在一示例中，每一整流模块包括用于根据所述控制信号导通或断开的整流开关，
所述整流开关包括至少两个功率开关；
12.其中，导通或断开的功率开关的数量不同，整流模块的输出模式不同。
13.在一示例中，所述功率开关包括：可控硅。
14.在一示例中，所述整流模块包括：半控桥整流电路或全控桥整流电路。
15.在一示例中，每一组整流装置还包括：用于根据所述控制模块输出的控制信号驱动每一整流模块中功率开关的导通或断开的驱动模块，所述驱动模块设置在所述控制模块和m个整流模块之间。
16.在一示例中，所述检测装置包括：用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电流值的电流检测模块；
17.所述电流检测模块的数量为n个，n个电流检测模块分别设置在n个输出绕组的输出端口处。
18.在一示例中，所述检测装置还包括：用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电压值的电压检测模块；
19.所述电压检测模块的数量为n个，n个电压检测模块分别设置在n个输出绕组的输出端口处。
20.在一示例中，n组整流装置并联接至公共直流母线上。
21.在一示例中，每一输出绕组采用延边三角形方式连接。
22.本实用新型至少一个实施例提供的交流-直流电能变换系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：通过控制装置的均流控制策略，以控制整流装置实现各输出绕组输出的交流电的电流值的均流，使得各输出绕组输出的电流平衡，解决了移相变压器副边输出功率(电流)不平衡而导致移相变压器提高的功率因数受限问题，提高了直流电源的效率，且均衡策略方式较为简易，成本较低，实施性较强。
23.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
24.附图用来提供对本实用新型技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本实用新型的技术方案，并不构成对本实用新型技术方案的限制。
25.图1为现有方案提供的ac-dc电源转换器；
26.图2为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的结构框图；
27.图3为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的架构图；
28.图4为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的结构框图；
29.图5为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的架构图；
30.图6为本实用新型实施例提供的半控桥整流电路的结构示意图；
31.图7为本实用新型实施例提供的全控桥整流电路的结构示意图；
32.图8为基于本实用新型实施例提供的交流-直流电能变换系统实现交流-直流转换方法的流程图。
具体实施方式
33.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明。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任意组合。
34.图2为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的结构框图，图3为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的架构图，如图2和图3所示，本实用新型实施例提供的交流-直流电能变换系统，可以包括：用于将电网三相交流电通过n个输出绕组分别输出n路交流电的移相变压器21、用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电流值的检测装置22，以及用于根据n组输出绕组输出的交流电的电流值确定所需输出的均衡电流值的控制装置23，以及用于将每一个输出绕组输出的交流电转换为直流电，并根据均衡电流值调整自身的输出模式，以使输出的电流为均衡电流值的整流装置24。
35.移相变压器可以包括n个输出绕组，n≥2，每一输出绕组用于输出一路交流电，任意两个输出绕组输出的交流电的移相角度不同。
36.本实施例中，移相变压器可以有一个输入绕组及至少两个输出绕组(可称为副边绕组)，通过输入绕组接受电网的交流电，并将交流电输入电压v
in
压降，以用于多个三相输出绕组输出多个交流电，交流电可以包括交流电流或交流电压，其中每一输出绕组输出的交流电(比如交流电压或交流电流)相对于其他每一输出绕组输出的交流电具有移相角度。
37.本实施例中，移相变压器可设置多个副边绕组，每一个副边绕组设置为输出绕组，作为交流电的一个输出单元，以及可根据每一输出绕组中实际的绕组数量提供不同给的相移角度，以减少交流电流中的谐波分量以及增加系统的功率因数。以及，将移相变压器的二次侧(副边)分为多个输出绕组后，每一路所输出的直流功率大幅降低，可显著地降低ac-dc转换系统对于电路中的元器件的参数要求，不再需要单独设计功率因数校正电路就可以满足电网的需求，节约了成本。
38.在一示例中，移相变压器的输入绕组和输出绕组可以分别为三相输入绕组和三相输出绕组，以通过移相变压器的三相输入绕组接受电网的三相交流电r、s和t，通过移相变压器的三相输出绕组输出三相交流电。
39.移相变压器是一种专门为中高压变频器提供多相整流电源的装置，在一示例中，每一输出绕组采用延边三角形方式连接。
40.本实施例中，移相变压器可以采用延边三角形移相原理，通过多个不同的移相角二次绕组，可以组成等效相数为9相、12相、15相、18相、24相以及27相等整流变压器。移相变压器的一次侧(即输入绕组侧)直接入高压电网，其二次侧(即输出绕组侧)有多个三相绕组，其可以按0
°
、θ
°
、
…
、(60-θ)
°
等表示延边三角连接变压器二次侧的各低压三相绕组，同时表示各低压三相绕组线电压相对对应绕组的移相角。其中，θ表示移相角度，0
°
＜θ＜60
°
。
41.检测装置设置在移相变压器的输出回路上，检测装置用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电流值。
42.本实施例中，可在移相变压器的输出绕组回路上(比如输出绕组的输出端口处)设置检测装置，通过检测装置以检测每一个输出绕组输出的交流电的电流值，以为下述实施例控制装置的电流均衡提供各输出绕组的电流值。
43.在一示例中，检测装置可以包括：用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电流
值的电流检测模块。本实施例中，可通过电流检测模块直接获取各输出绕组输出的交流电的电流值。
44.在一替代实施例中，检测装置可以包括：用于检测每一个输出绕组输出的交流电的电压值的电压检测模块，电压检测模块检测到的交流电的电压值可以通过检测装置将电压值转化为电流值，或通过下述实施例的控制装置将电压值转化为电流值。其中，电压值转化为电流值的实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。
45.在一示例中，如图3所示，电流检测模块的数量可以为n个，n个电流检测模块分别设置在n个输出绕组的输出端口处。本实施例中，可在每一个输出绕组的输出端口处设置一个电流检测模块，通过n个电流检测模块分别检测n个输出绕组的交流电的电流值。
46.在一示例中，电压检测模块的数量可以为n个，n个电压检测模块分别设置在n个输出绕组的输出端口处。本实施例中，可在每一个输出绕组的输出端口处设置一个电压检测模块，通过n个电压检测模块分别检测n个输出绕组的交流电的电压值。
47.在一示例中，检测装置还可以包括：温度传感器，以获取各输出绕组的输出回路上(比如输出端口处)的温度，检测得到的温度可用于控制装置根据该温度控制整流装置的输出频率(比如整流模块中功率开关的开关频率)等。
48.控制装置，用于根据n组输出绕组输出的交流电的电流值确定所需输出的均衡电流值，以对每一输出绕组输出的交流电进行均流控制，确定均衡电流值时，可以以检测到的电流值的最大值、或最小值、或平均值或加权平均值作为均衡电流值。其中，确定电流值的最大值、或最小值、或平均值或加权平均值为已有算法。
49.在实际应用中，目前移相变压器二次侧输出绕组的数量为多个时，由于当前的设计与制造工艺无法保证移相变压器各个二次侧输出绕组阻抗参数的完全一致，其差异及运行工况的变化必然会使各输出绕组输出电流不平衡，由此会带来移相变压器一次侧中性线向移相变压器变注入直流电流，对移相变压器的运行产生影响，导致移相变压器功率因数下降，谐波和损耗增加。也即，由于目前移相变压器各个二次侧输出绕组阻抗参数的不完全一致，会存在各输出绕组输出电流不平衡问题而导致移相变压器的功率因数受限。
50.本实施例中，控制装置可通过检测装置获取各输出绕组输出的交流电的电流值，根据各输出绕组输出的交流电的电流值和预设的均流控制策略确定所需输出的均衡电流值，均衡电流值为根据均流控制策略确定的各输出绕组所需输出的电流值，以使控制装置根据该均衡电流值控制整流装置，通过整流装置实现各输出绕组输出的交流电的电流值的均流，以对各输出绕组输出的交流电的电流值进行均流控制，使得各输出绕组输出的电流平衡。
51.由于各输出绕组存在差异，各输出绕组输出的电流并不一定均衡，本实施例中，可通过控制装置采用均流控制策略确定各输出绕组所需输出的均衡电流值，然后通过控制整流装置使的各组整流装置输出的电流为该均衡电流值，即通过调整整流装置的输出电流，使得各路输出电流均衡，以使得各输出绕组输出的电流平衡(或均衡)。
52.本实施例中，均流控制策略的实现原理为：根据每一路检测到的电流值，相应增大/减小每一路连接的整流装置的功率，从而让每一路的输出电流趋于相同。
53.举例来说，由于各个输出绕组存在差异，移相变压器的多个输出绕组输出交流电时，有的输出绕组输出的交流电的电流值为8安培(a)，有的输出绕组输出的交流电的电流
值为10a。本实施例可根据各输出绕组输出的电流值和预设的均流控制策略，以确定出各路所需输出的均衡电流值，比如，预设的均流控制策略为求平均值，求各n组输出绕组输出的电流值的平均值，可得到每路所需输出的均衡电流值为10a，则控制整流装置的输出模式，使得每一组整流装置的输出电流均为10a，从而实现各输出绕组输出电流平衡。
54.在一示例中，均流控制策略可叠加，均流控制策略可叠加是指在确定均衡电流值时，还可确定其他性能指标的计算或确定，比如确定均衡电流值的同时可确定整流装置中制每一项的桥臂的开关频率，通过一个控制指令，实现输出均流控制的同时可控制每一项的桥臂的开关频率，提高控制效率。
55.在一示例中，在检测装置包括电压检测模块时，控制装置还可根据电压检测模块检测的交流电的电压值进行稳压控制。
56.整流装置可以为n组，移相变压器的每一输出绕组可以分别与一组整流装置连接，每一组整流装置可以分别与控制装置连接；整流装置，用于将每一个输出绕组输出的交流电转换为直流电，并根据均衡电流值调整自身的输出模式，以使输出的电流为均衡电流值。
57.本实施例中，可通过整流装置来对n组移相变压器副边输出电流进行均流控制，使移相变压器输出电流均衡。具体的，可通过设置n组整流装置，每一个输出绕组对应连接一组整流装置，每一个输出绕组输出的电流可通过一组整流装置实现各输出绕组输出的电流平衡。
58.即，可在控制装置中加入均流控制策略，以控制整流装置的输出模式使各组整流装置输出的电流值为均衡电流值，使各输出绕组输出的交流电通过整流装置后达到电流值的均衡，其中，均衡是指各输出绕组输出的交流电的电流值相同。
59.其中，每一组整流装置可以包括多个功率开关，可通过控制多个功率开关的导通或断开，以控制整流装置的输出模式。其中，导通或断开的功率开关的数量不同，整流装置的输出模式不同，整流装置的输出模式不同，整流装置输出的电流大小不同。
60.本实施例中，n组整流装置对应的多个直流输出可汇集在公共直流母线上，为其他负载提供直流电能。
61.在一示例中，n组整流装置的输出端可以并联连接后提供一直流输出，即n组整流装置可并联接至公共直流母线上，从而增加电压中的纹波频率进而降低纹波振幅。
62.在一示例中，n组整流装置的输出端可以串联连接后提供一直流输出，即n组整流装置可出串联接至公共直流母线上，可以利用不同的输出端提供不同的直流输出，以满足多种电子设备的充电需求。
63.本实用新型实施例提供的交流-直流电能变换系统，控制装置可通过检测装置获取各输出绕组输出的交流电的电流值，根据各输出绕组输出的交流电的电流值和预设的均流控制策略确定所需输出的均衡电流值，以控制各整流装置输出的电流值为该均衡电流值。即通过控制装置的均流控制策略，以控制整流装置实现各输出绕组输出的交流电的电流值的均流，使得各输出绕组输出的电流平衡。解决了移相变压器副边输出功率(电流)不平衡而导致移相变压器提高的功率因数受限问题，提高了直流电源的效率，且均衡策略方式较为简易，成本较低，实施性较强。
64.在本实用新型一示例实施例中，图4为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统的结构框图，图5为本实用新型一示例实施例提供的交流-直流电能变换系统
的架构图，如图4和5所示，每一组整流装置可以包括用于获取控制装置输出的均衡电流值，并根据均衡电流值输出一控制信号的控制模块241，以及m个整流模块242，m为正整数；控制模块可以分别与一个输出绕组和控制装置连接。
65.控制模块用于获取控制装置输出的均衡电流值，并根据均衡电流值输出一控制信号，控制信号用于分别控制每一个整流模块的输出模式，以使一个输出绕组输出的交流电通过一组整流装置转换为直流电，且每一组整流装置输出的电流为均衡电流值。
66.本实施例中，每一组整流装置可以包括一个控制模块和m个并联的整流模块，控制模块的输入/输出(i/o)端口可电性连接至控制装置的输出端，并根据控制装置输出的均衡电流值输出一对应的控制信号。每一个整流模块用于接收该控制模块输出的控制信号，并根据该控制信号调整自身的输出模式，比如进行功率开关电性的导通或关断，以使每一个整流模块的输出电流值为该均衡电流值。
67.本实施例中，每一组整流装置可包括m个整流模块，通过n*m个整流模块并联接入公共直流母线，可为多个直流负载提供稳定、高效的直流源。
68.如图5所示，n组整流装置可并联接至公共直流母线上。
69.其中，控制装置可以包括单片机(central processing unit，简称cpu)，控制装置作为全局控制器件，其主要用于获取所有输出绕组输出的电流值，以及根据预设的均流控制策略确定所需的均衡电流值。
70.控制模块可以包括单片机(central processing unit，简称cpu)，控制模块作为每一组整流装置中的局部控制器件，其主要用于根据均衡电流值控制其连接的m个整流模块的输出模式，以使m个整流模块输出的电流值为均衡电流值。
71.本实施例中，将确定均衡电流值的控制装置与控制整流模块输出模式的控制模块分开，即实现控制器件的模块化，功能独立性更强，且可满足更多的个性化需求。
72.在一示例中，可将每组整流装置中的控制模块集成在控制装置中，即只设置一个全局的控制装置，每组整流装置中不再设置控制模块，通过该全局的控制装置控制各整流模块的输出模式。
73.在本实用新型一示例实施例中，每一整流模块可以包括用于根据控制信号导通或断开的整流开关，整流开关包括至少两个功率开关；控制信号分别控制每一整流模块的输出模式，可以包括：
74.控制信号分别控制每一整流模块的整流开关中功率开关的导通或断开，以控制每一个整流模块的输出模式；其中，导通或断开的功率开关的数量不同，整流模块的输出模式不同。
75.本实施例中，每一整流模块可包括多个功率开关，通过控制功率开关的导通或断开，以控制整流模块的输出模式。其中，整流模块的输出模式不同，整流模块输出的电流大小不同。
76.在一示例中，功率开关可以包括：可控硅。本实施例中，可采用可控硅作为整流模块中的功率开关，可控硅(silicon controlled rectifier，简称scr)，是一种大功率电器元件，也称晶闸管。可控硅具有体积小、效率高、寿命长等优点，可实现用小功率控件控制大功率设备。
77.在一示例中，整流模块可以包括：半控桥整流电路。图6为本实用新型实施例提供
的半控桥整流电路的结构示意图，如图6所示，半控桥整流电路可包括：位于上半桥的三个可控硅g，通过控制三个可控硅的导通或断开，或分别控制三个可控硅的导通角，以实现控制整流模块的输出模式。
78.其中，如图6所示，半控桥整流电路还可以包括：电感l、电容c和二极管d，其具体结构和实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。
79.在一示例中，整流模块可以包括：全控桥整流电路。图7为本实用新型实施例提供的全控桥整流电路的结构示意图，如图7所示，全控桥整流电路可包括：位于上半桥的三个可控硅g1和位于下半桥的三个可控硅g2，通过控制六个可控硅的导通或断开，或分别控制六个可控硅的导通角，以实现控制整流模块的输出模式。
80.其中，如图7所示，全控桥整流电路还可以包括：电感l、电容c和二极管d，其具体结构和实现原理与现有技术相同，本实施例在此不进行限定和赘述。
81.在本实用新型一示例实施例中，每一组整流装置还可以包括用于根据控制模块输出的控制信号驱动每一整流模块中功率开关的导通或断开的驱动模块，驱动模块设置在控制模块和m个整流模块之间。
82.本实施例中，可在控制模块和m个整流模块之间设置驱动模块，驱动模块的输入端电性连接至控制模块的控制端，驱动模块的输出端电性连接至每一个整流模块的输入端，驱动模块用于接收控制模块控制端输出的控制信号，并根据该控制信号来驱动每一整流模块中功率开关电性导通或断开。
83.本实用新型实施例还可基于上述任一实施例所示的交流-直流电能变换系统提供一种交流-直流转换方法，图8为基于本实用新型实施例提供的交流-直流电能变换系统实现交流-直流转换方法的流程图，如图8所示，本实用新型实施例的执行主体为上述任一实施例所示的控制装置，该交流-直流转换方法可以包括：
84.s801：获取移相变压器每一个输出绕组输出的交流电的电流值。
85.其中，移相变压器包括n个输出绕组，n≥2，每一输出绕组用于输出一路交流电，任意两个输出绕组输出的交流电的移相角度不同。
86.s802：根据n组输出绕组输出的交流电的电流值和预设的均流控制策略确定所需输出的均衡电流值。
87.本实用新型实施例提供的交流-直流转换方法的执行主体为上述任一实施例所示的控制装置，其实现原理和实现效果类似，此处不再赘述。
88.在本实用新型一示例实施例中，根据n组输出绕组输出的交流电的电流值和预设的均流控制策略确定所需输出的均衡电流值，可以包括：
89.向每一整流装置发送均衡电流值，以使每一整流装置根据均衡电流值调整自身的输出模式；
90.其中，每一整流装置调整自身模式后输出的电流为均衡电流值。
91.在本实用新型中的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“一侧”、“另一侧”、“一端”、“另一端”、“边”、“相对”、“四角”、“周边”、
““
口”字结构”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的结构具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。
92.在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“直接连接”、“间接连接”、“固定连接”、“安装”、“装配”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；术语“安装”、“连接”、“固定连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
93.虽然本实用新型所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定为准。