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CN114362335A - 应用于固态变压器的电源转换架构及相应的充电系统 - Google Patents

应用于固态变压器的电源转换架构及相应的充电系统 Download PDF

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CN114362335A
CN114362335A CN202011091710.1A CN202011091710A CN114362335A CN 114362335 A CN114362335 A CN 114362335A CN 202011091710 A CN202011091710 A CN 202011091710A CN 114362335 A CN114362335 A CN 114362335A
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capacitor
parallel
power
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黄文隆
李圣华
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Original Assignee
Delta Electronics Inc
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Publication date
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Abstract

一种应用于固态变压器之电源转换架构及具有该电源转换架构的充电系统，该电源转换架构包含直流链、第一电容、第二电容以及电源转换模块群。直流链具有直流链正极、直流链负极以及直流链中性点。第一电容耦接于直流链正极与直流链中性点之间。第二电容耦接于直流链负极与直流链中性点之间。电源转换模块群包含多个直流电源转换模块。所述直流电源转换模块的输入侧为串联连接，以形成该电源转换模块群的两输入端，所述直流电源转换模块的输出侧为并联连接，以形成该电源转换模块群的两输出端。至少两电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第一电容与第二电容。

Description

应用于固态变压器的电源转换架构及相应的充电系统
技术领域
本发明涉及一种电源转换架构及具有电源转换架构的充电系统，尤指一种应用于固态变压器的电源转换架构及具有该电源转换架构的充电系统。
背景技术
请参见图1所示，其是为传统大功率电动车充电站的电力系统的方框图。所述电力系统是由中压交流输入电源VAC供(发)电，例如但不限制为13.2千伏特(kV)电压的中压交流输入电源，通过电塔与输电线将交流输入电源VAC输送至变压器10A。其中，所述变压器10A为工频变压器(line-frequency transformer)，其是为一种于电网工作频率(例如50Hz或60Hz)操作的变压器。然而，工频变压器的重量重、占用的空间大、并且待机铁损高。
13.2千伏特的中压交流电源VAC经变压器10A转换为低电压交流电源(例如480伏特)，通过功率因数校正器20A对该低电压交流电源进行调整与转换，产生低电压直流电源。然后，再经由直流转换器30A(即直流对直流转换器)将所述低电压直流电源转换为直流输出电源VDC，以作为充电站的输出电压使用。
然而，传统的大功率电动车充电站系统，除了上述工频变压器的缺点外，由于功率转换的级数多，因此也存在着系统效率低的问题。
随着电力电子元件的推陈出新以及分散式电源、智能电网的蓬勃发展，固态变压器(solid state transformer，SST)已成为越来越热门的研究课题。固态变压器具有多功能且高性能的特性，包括整合微电网、校正功率因数、补偿无效功率、隔离故障电流以及调整输出电压等。
而应用于固态变压器架构的电源装置仍面临到尚需克服解决的问题，例如提供弹性的供电组态，以满足不同的供电需求，以及对电动车进行高效率、高安全性的快速充电目标。为此，如何设计出一种应用于固态变压器的电源转换架构及具有该电源转换架构的充电系统，满足高电压和/或高电流的充电需求，以及提高对电动车充电需求应用的弹性与多样化，并且增加充电系统的可靠度，乃为本案发明人所研究的重要课题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于固态变压器的电源转换架构，解决传统大功率电动车充电站使用工频变压器所具有的重量重、占用的空间大、并且待机铁损高的缺点，并且由于功率转换的级数多，所存在着系统效率低的问题。
为达成前述目的，本发明所提出的应用于固态变压器的电源转换架构，包含直流链、第一电容、第二电容以及电源转换模块群。直流链具有直流链正极、直流链负极以及直流链中性点。第一电容耦接于直流链正极与直流链中性点之间。第二电容耦接于直流链负极与直流链中性点之间。电源转换模块群包含多个直流电源转换模块；其中，多个直流电源转换模块的输入侧为串联连接，以形成该电源转换模块群的两输入端，多个直流电源转换模块的输出侧为并联连接，以形成该电源转换模块群的两输出端。其中，至少两电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第一电容与第二电容。
在一实施例中，至少两电源转换模块群各自的两输入端分别并联第一电容与第二电容，且各自的两输出端为并联连接。
在一实施例中，至少两电源转换模块群各自的两输入端分别并联第一电容与第二电容，且各自的两输出端为串联连接。
在一实施例中，至少两电源转换模块群的数量为2N个，其中N为大于或等于2的正整数；一半数量的电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第一电容，另外一半数量的电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第二电容；并联第一电容的电源转换模块群与对应并联第二电容的电源转换模块群通过各自的两输出端串联连接为输出端，以形成总数量为N个输出端，其中，N个输出端为并联连接。
在一实施例中，至少两电源转换模块群的数量为2N个，其中N为大于或等于2的正整数；一半数量的电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第一电容，另外一半数量的电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联第二电容；并联第一电容的电源转换模块群与对应并联第二电容的电源转换模块群通过各自的两输出端并联连接为输出端，以形成总数量为N个输出端，其中，N个输出端为并联连接。
在一实施例中，电源转换架构是用以对充电站或储能系统供电。
本发明的另一目的在于提供一种应用于固态变压器的充电系统，解决传统大功率电动车充电站使用工频变压器所具有重量重、占用的空间大、并且待机铁损高的缺点，并且由于功率转换的级数多，还存在着系统效率低的问题。
为达成前述目的，本发明所提出的应用于固态变压器的充电系统，包含交流直流转换电路、至少一电源转换架构以及至少一充电站。交流直流转换电路接收输入电源，且将输入电源转换为高压直流电压并提供于直流链上。至少一电源转换架构耦接该直流链，接收高压直流电压且将该高压直流电压转换为至少一输出电压。至少一充电站对应地耦接至少一电源转换架构，由至少一输出电压供电。
在一实施例中，至少一电源转换架构是为并联连接。
在一实施例中，至少一电源转换架构的电路组态为相同，或至少一者不相同。
在一实施例中，输入电源是为中压输入电源。
由此，本发明所提出的应用于固态变压器的电源转换架构以及应用于固态变压器的充电系统，可满足高电压和/或高电流的充电需求，以及提高对电动车充电需求应用的弹性与多样化，并且增加充电系统的可靠度。
为了能更进一步了解本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及技术效果，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所附视图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制。
附图说明
图1：是为传统大功率电动车充电站的电力系统的方框图。
图2：是为本发明单一电源转换模块群的电路方框图。
图3：是为本发明两个电源转换模块群连接于直流链的电路方框图。
图4：是为本发明两个电源转换模块群的输出侧并联供电的电路方框图。
图5：是为本发明两个电源转换模块群的输出侧串联供电的电路方框图。
图6：是为本发明四个电源转换模块群中的两两输出侧串联后再并联供电的电路方框图。
图7：是为本发明四个电源转换模块群中的两两输出侧并联后再并联供电的电路方框图。
图8：是为本发明应用于固态变压器的充电系统的方框图。
其中，附图标记说明如下：
VAC：交流输入电源
VDC：直流输出电源
10A：变压器
20A：功率因数校正器
30A：直流转换器
LDC：直流链
P：直流链正极
N：直流链负极
O：直流链中性点
C1：第一电容
C2：第二电容
10：电源转换模块群
101，102，...，10n：直流电源转换模块
101：第一直流电源转换模块
102：第二直流电源转换模块
10n：第N直流电源转换模块
11：第一电源转换模块群
12：第二电源转换模块群
13：第三电源转换模块群
14：第四电源转换模块群
In1，In2：输入端
Out1，Out2：输出端
Po1：第一输出端
Po2：第二输出端
VAC：输入电源
91：交流直流转换电路
92：电源转换架构
100：充电站
具体实施方式
兹有关本发明的技术内容及详细说明，配合附图说明如下。
请参见图2与图3所示，其分别为本发明单一电源转换模块群的电路方框图以及本发明两个电源转换模块群连接于直流链的电路方框图。应用于固态变压器的电源转换架构包含直流链LDC、第一电容C1、第二电容C2以及电源转换模块群10。直流链LDC具有直流链正极P、直流链负极N以及直流链中性点O。第一电容C1耦接于直流链正极P与直流链中性点O之间；第二电容C2耦接于直流链负极N与直流链中性点O之间。基本上，当第一电容C1与第二电容C2的电容值相等时，在正常操作下，第一电容C1两端的电(跨)压与第二电容C2两端的电(跨)压会相等，且为直流链LDC输出电压的一半。在一实施例中，第一电容C1与第二电容C2两端的电(跨)压为11千伏特(kV)。附带一提，在实际应用上，并不以仅包含第一电容C1与第二电容C2串联的架构为限制，意即，本发明并不限定于使用两颗电容串联于直流链的两极之间，亦可使用三颗以上的电容串联，因此使用N颗电容搭配N个电源转换模块群的应用也应该包含于本发明的范畴中。
电源转换模块群10包含多个直流电源转换模块101，102，...，10n。如图2所示，所述直流电源转换模块101，102，...，10n分别为第一直流电源转换模块101、第二直流电源转换模块102、…以及第N直流电源转换模块10n。其中，所述直流电源转换模块101，102，...，10n的输入侧为串联连接，使得该电源转换模块群10的输入侧具有两输入端In1，In2。所述直流电源转换模块101，102，...，10n的输出侧为并联连接，使得该电源转换模块群10的输出侧提供两输出端Out1，Out2。
在本发明中，至少两电源转换模块群10通过各自的两输入端In1，In2分别并联第一电容C1与第二电容C2。如图3所示，其为两个电源转换模块群10并联接于直流链LDC的实施例，具体地，电路中上半部的电源转换模块群10通过自己的两输入端In1，In2并联该第一电容C1，电路中下半部的电源转换模块群10通过自己的两输入端In1，In2并联该第二电容C2。
如图4所示，其为本发明两个电源转换模块群的输出侧并联供电的电路方框图。承前所述，两个电源转换模块群10的输入侧分别并联第一电容C1与第二电容C2，并且，两个电源转换模块群10各自的输出端Out1，Out2为并联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站(charging station)100(如图4所示)或者对储能系统(energy storage system)(图未示)充(供)电。
具体地，两个电源转换模块群分别为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12，其中第一电源转换模块群11的输入侧并联第一电容C1，第二电源转换模块群12的输入侧并联第二电容C2。并且，第一电源转换模块群11的输出端Out1，Out2与第二电源转换模块群12的输出端Out1，Out2并联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站100或者对储能系统充(供)电。
举例来说，若每一个电源转换模块群可以提供的输出电压为500伏特、输出电流为200安培，因此，通过图4的电路组态，可以提供给充电站100的输出电压为500伏特，而输出电流为400安培(因为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12的输出并联)，因此，可提供倍增的输出电流，以满足高电流的充电需求。
如图5所示，其为本发明两个电源转换模块群的输出侧串联供电的电路方框图。承前所述，两个电源转换模块群10的输入侧分别并联第一电容C1与第二电容C2，并且，两个电源转换模块群10各自的输出端Out1，Out2为串联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站100或者对储能系统充(供)电。
具体地，两个电源转换模块群分别为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12。其中，第一电源转换模块群11的输入侧并联第一电容C1，第二电源转换模块群12的输入侧并联第二电容C2。并且，第一电源转换模块群11的输出端Out1，Out2与第二电源转换模块群12的输出端Out1，Out2串联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站100或者对储能系统充(供)电。
举例来说，若每一个电源转换模块群可以提供的输出电压为500伏特、输出电流为200安培，因此，通过图5的电路组态，可以提供给充电站100的输出电压为1000伏特，而输出电流为200安培(因为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12的输出串联)，因此，可提供倍增的输出电压，以满足高电压的充电需求。
如图6所示，其为本发明四个电源转换模块群中的两两输出侧串联后再并联供电的电路方框图。至少两电源转换模块群的数量为四个；两个电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第一电容C1，另两个电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第二电容。并联第一电容C1的两个电源转换模块群的一者与并联该第二电容C2的两个电源转换模块群的一者通过各自的两输出端串联连接为一第一输出端Po1，并联该第一电容C1的两个电源转换模块群的另一者与并联第二电容的两个电源转换模块群的另一者通过各自的两输出端串联连接为第二输出端Po2。其中，第二输出端Po2与第一输出端Po1为并联连接。
具体地，四个电源转换模块群分别为第一电源转换模块群11、第二电源转换模块群12、第三电源转换模块群13以及第四电源转换模块群14。其中，第一电源转换模块群11与第三电源转换模块群13的输入侧并联第一电容C1，第二电源转换模块群12与第四电源转换模块群14的输入侧并联第二电容C2。并且，第一电源转换模块群11的输出端Out1，Out2与第二电源转换模块群12的输出端Out1，Out2串联连接为第一输出端Po1；第三电源转换模块群13的输出端Out1，Out2与第四电源转换模块群14的输出端Out1，Out2串联连接为第二输出端Po2。然后，第一输出端Po1与第二输出端Po2并联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站100或者对储能系统充(供)电。
举例来说，若每一个电源转换模块群可以提供的输出电压为500伏特、输出电流为200安培，因此，通过图6的电路组态，可以提供给充电站100的输出电压为1000伏特，而输出电流为400安培(因为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12的输出串联、第三电源转换模块群13与第四电源转换模块群14的输出串联，以及第一输出端Po1与第二输出端Po2为并联)，因此，可提供倍增的输出电压与输出电流，以满足高电压、高电流的充电需求。
如图7所示，其为本发明四个电源转换模块群中的两两输出侧并联后再并联供电的电路方框图。至少两电源转换模块群的数量为四个；两个电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第一电容C1，另两个电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第二电容C2。并联第一电容C1的两个电源转换模块群的一者与并联该第二电容C2的两个电源转换模块群的一者通过各自的两输出端并联连接为一第一输出端Po1，并联该第一电容C1的两个电源转换模块群的另一者与并联第二电容的两个电源转换模块群的另一者通过各自的两输出端并联连接为第二输出端Po2。其中，第二输出端Po2与第一输出端Po1为并联连接。
具体地，四个电源转换模块群分别为第一电源转换模块群11、第二电源转换模块群12、第三电源转换模块群13以及第四电源转换模块群14。其中，第一电源转换模块群11与第三电源转换模块群13的输入侧并联第一电容C1，第二电源转换模块群12与第四电源转换模块群14的输入侧并联第二电容C2。并且，第一电源转换模块群11的输出端Out1，Out2与第二电源转换模块群12的输出端Out1，Out2并联连接为第一输出端Po1；第三电源转换模块群13的输出端Out1，Out2与第四电源转换模块群14的输出端Out1，Out2并联连接为第二输出端Po2。然后，第一输出端Po1与第二输出端Po2并联连接，所提供的输出电源(功率)可对充电站100或者对储能系统充(供)电。
举例来说，若每一个电源转换模块群可以提供的输出电压为500伏特、输出电流为200安培，因此，通过图7的电路组态，可以提供给充电站100的输出电压为500伏特，而输出电流为800安培(因为第一电源转换模块群11与第二电源转换模块群12的输出并联、第三电源转换模块群13与第四电源转换模块群14的输出并联，以及第一输出端Po1与第二输出端Po2为并联)，因此，可提供4倍的输出电流，以满足高电流的充电需求。
值得一提，在实际的应用中，这样的电源转换模块群10的数量不以4个为限制，亦即，可以是成对(对应)的多个电源转换模块群构成该电源转换架构，例如，这样的电源转换模块群10的数量为2N个，其中N为大于或等于2的正整数，一半数量的电源转换模块群10通过各自的两输入端分别并联该第一电容C1，另外一半数量的电源转换模块群10通过各自的两输入端分别并联该第二电容C2，并且通过各自的两输出端并联或串联连接为一输出端，以形成总数量为N个输出端，以提供更高输出电压和/或输出电流的充电需求。
请参见图8所示，其为本发明应用于固态变压器的充电系统的方框图。所述充电系统包含交流直流转换电路91、至少一电源转换架构92以及至少一充电站100。交流直流转换电路91接收输入电源VAC，且将输入电源VAC转换为高压直流电压并提供于直流链LDC上。其中，输入电源VAC是为一中压输入电源，例如13.2千伏特，然不以此为限制。
所述至少一电源转换架构92耦接直流链LDC，接收高压直流电压且将该高压直流电压转换为至少一输出电压。所述至少一充电站100对应地耦接所述至少一电源转换架构92，由所述至少一输出电压供电。如图8所示，多个电源转换架构92是于输入侧并联连接，其输入侧连接交流直流转换电路91输出侧的直流链LDC，其输出侧是分别对应连接充电站100。举例来说，若电源转换架构92的数量为四个，则充电站100的数量亦为四个。
再者，所述至少一电源转换架构92是可为前述图4至图7四种组态的电源转换架构的任何一者。换言之，每一个电源转换架构92的组态可以是相同的，或者至少一者不相同。以四个电源转换架构92为例说明，此四个电源转换架构92的组态可以分别是图4至图7的组态(即四个电源转换架构92的组态完全不同)，或者此四个电源转换架构92的组态可以同样是图4至图7的组态的其中一种(即四个电源转换架构92的组态完全相同)。或者，至少一者不相同，而其他相同。
综上所述，本发明具有以下的特征与优点：
1、利用不同电源转换架构的组态设计，可满足高电压和/或高电流的充电需求。
2、充电系统提供多个电源转换架构，可具有相同或者至少一者不相同的电路组态，以提高对电动车充电需求应用的弹性与多样化，并且增加充电系统的可靠度以及高效率、高安全性的快速充电。
以上所述，仅为本发明较佳具体实施例的详细说明与附图，惟本发明的特征并不局限于此，并非用以限制本发明，本发明的所有范围应以下述的权利要求为准，凡合于本发明权利要求的精神与其类似变化的实施例，皆应包含于本发明的范畴中，任何熟悉该项技艺者在本发明的领域内，可轻易思及的变化或修饰皆可涵盖在以下本案的专利范围。

Claims (10)

1.一种应用于固态变压器的电源转换架构，包含：
一直流链，具有一直流链正极、一直流链负极以及一直流链中性点；
一第一电容，耦接于该直流链正极与该直流链中性点之间；
一第二电容，耦接于该直流链负极与该直流链中性点之间；及
一电源转换模块群，包含多个直流电源转换模块；其中，该多个直流电源转换模块的输入侧为串联连接，以形成该电源转换模块群的两输入端，该多个直流电源转换模块的输出侧为并联连接，以形成该电源转换模块群的两输出端；
其中，至少两电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第一电容与该第二电容。
2.如权利要求1所述的应用于固态变压器的电源转换架构，其中，该至少两电源转换模块群各自的该两输入端分别并联该第一电容与该第二电容，且各自的该两输出端为并联连接。
3.如权利要求1所述的应用于固态变压器的电源转换架构，其中，该至少两电源转换模块群各自的该两输入端分别并联该第一电容与该第二电容，且各自的该两输出端为串联连接。
4.如权利要求1所述的应用于固态变压器的电源转换架构，其中，该至少两电源转换模块群的数量为2N个，其中N为大于或等于2的正整数；一半数量的该电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第一电容，另外一半数量的该电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第二电容；并联该第一电容的该电源转换模块群与对应并联该第二电容的该电源转换模块群通过各自的该两输出端串联连接为一输出端，以形成总数量为N个输出端，其中，N个输出端为并联连接。
5.如权利要求1所述的应用于固态变压器的电源转换架构，其中，该至少两电源转换模块群的数量为2N个，其中N为大于或等于2的正整数；一半数量的该电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第一电容，另外一半数量的该电源转换模块群通过各自的两输入端分别并联该第二电容；并联该第一电容的该电源转换模块群与对应并联该第二电容的该电源转换模块群通过各自的该两输出端并联连接为一输出端，以形成总数量为N个输出端，其中，N个输出端为并联连接。
6.如权利要求1所述的应用于固态变压器的电源转换架构，其中，该电源转换架构是用以对一充电站或一储能系统供电。
7.一种应用于固态变压器的充电系统，包含：
一交流直流转换电路，接收一输入电源，且将该输入电源转换为一高压直流电压并提供于一直流链上；
至少一电源转换架构，如权利要求1至6中任一项所述的电源转换架构，耦接该直流链，接收该高压直流电压且将该高压直流电压转换为至少一输出电压；及
至少一充电站，对应地耦接该至少一电源转换架构，由该至少一输出电压供电。
8.如权利要求7所述的应用于固态变压器的充电系统，其中，该至少一电源转换架构为并联连接。
9.如权利要求7所述的应用于固态变压器的充电系统，其中，该至少一电源转换架构的电路组态为相同，或至少一者不相同。
10.如权利要求7所述的应用于固态变压器的充电系统，其中，该输入电源为一中压输入电源。
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