CN116388599A

CN116388599A - 同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统

Info

Publication number: CN116388599A
Application number: CN202310170613.9A
Authority: CN
Inventors: 陈道炼
Original assignee: Qingdao University
Current assignee: Qingdao University
Priority date: 2023-02-27
Filing date: 2023-02-27
Publication date: 2023-07-04

Abstract

本发明涉及一种同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，其拓扑结构是由一个三绕组工频变压器将一个具有输出滤波电感的前置同时选择开关电路的新能源多输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路和一个输出滤波电容联接构成，系统采用具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率跟踪和多输入源最大输出功率限制的限功率能量管理SPWM控制策略。这种供电系统具有多输入源同时供电、工频隔离、多输入源占空比调节范围大、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、可靠性高、成本低等优点，适用于多输入源电压大小相差较大的场景。

Description

同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统

技术领域

本发明所涉及的同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，属于电力电子变换技术。

背景技术

新能源发电主要有光伏、风力、燃料电池等类型，都存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺陷，故需要采用多种新能源联合的分布式供电系统。新能源供电受光照强度、风力大小等自然条件的影响，供电功率具有明显的随机性和波动性，对负载产生较大冲击，严重时导致系统的不稳定。在有些场合，为满足系统安全运行而采取“弃光”、“弃风”等措施，严重影响了新能源供电的经济性。为了降低对负载持续供电的影响，新能源供电系统常配备储能装置来储存和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和平稳性的要求、功率就地平衡，经济效益显著。因此，新能源供电系统通常需要配置储能。此外，在光伏、风力等新能源功率大范围波动、气候条件异常的极端工况下，新能源供电系统传递的功率将超出允许值，系统的安全可靠运行问题也引起了人们的极大关注。

传统的两级新能源多端口供电系统，如图1、2所示。该系统是采用多个单输入直流变换器将光伏电池等不需能量存储的新能源发电设备分别通过一个单向直流变换器进行变换后在输出端串联或并联后连接到公共的直流母线上，储能设备通过一个双向直流变换器变换后也连接到公共的直流母线上，确保各种新能源联合供电并且能够协调工作。该供电系统实现了多输入源同时向负载供电和能源的充分利用，提高了系统的稳定性和灵活性，但存在拓扑结构复杂、三类端口间两级功率变换、体积和重量大、变换效率偏低、成本高等缺陷，其实用性不大。

为了提高系统性能和降低成本，需要对图1、2所示两级新能源多端口供电系统的拓扑结构简化为图3所示新型的单级新能源多端口集成供电系统。单级新能源多端口集成供电系统允许多种新能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，具有电路结构简洁、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、成本低等优点。

因此，积极寻求一类具有优良性能的新型单级工频环节新能源多端口集成供电系统已迫在眉睫。这对于基础能源保障、促进电力电子技术和新能源储能产业的发展，均具有十分重要的意义。

发明内容

本发明目的是要提供一种输出与输入工频隔离、多个输入电源不共地且在一个开关周期内同时供电、拓扑结构简洁、多输入源占空比调节范围大、多输入源-储能电池-输出负载三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、成本低、适用于多输入源电压大小相差较大的场景等特点的性能优良的同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统。

本发明的技术方案在于：一种同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，其拓扑结构是由一个三绕组工频变压器将一个具有输出滤波电感L_f1的同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感L_f2的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路和一个输出滤波电容C_f联接构成，n为多输入源的路数、不小于2的自然数；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个不共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接，其输出端与输出滤波电感L_f1、三绕组工频变压器的n输入源端口绕组N₁₁相级联，L_f1由外接电感与绕组N₁₁的漏感相串联或仅由绕组N₁₁的漏感实现；所述的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路的输入端与输入滤波器的输出端相联接、输出端与输出滤波电感L_f2和三绕组工频变压器的储能元件端口绕组N₁₂相级联，L_f2由外接电感与绕组N₁₂的漏感相串联或仅由绕组N₁₂的漏感实现；所述的输出滤波电容C_f与三绕组工频变压器的输出负载端口绕组N₂相联接；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由n输入单输出双向同时选择开关电路、单输入单输出双向全桥高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出双向全桥高频逆变电路，n输入单输出双向同时选择开关电路是由n路双向同时选择开关电路以其每路的正、负极性输出端顺向串联构成，每一路双向同时选择开关电路是由一个能承受单向电压应力、双向电流应力的选择开关和一个选择二极管构成且选择开关的发射极与选择二极管的阴极相联接，选择开关的集电极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输入端，选择开关的发射极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输出端；所述的n输入源直流端口和储能元件直流端口的两套单输入单输出双向全桥高频逆变电路均由左、右桥臂或上、下桥臂的四个承受单向电压应力双向电流应力的高频功率开关构成，两个上桥臂开关的集电极和两个下桥臂开关的发射极分别与n输入单输出双向同时选择开关电路或储能元件输入滤波器的正、负极性输出端相连接，左上桥臂开关的发射极和左下桥臂开关的集电极与输出滤波电感L_f1或L_f2的一端相联接，右上桥臂开关的发射极和右下桥臂开关的集电极与工频变压器原绕组N₁₁或N₁₂的一端相联接，输出滤波电感L_f1、L_f2的另一端分别与工频变压器原绕组N₁₁、N₁₂的另一端相联接；所述的n路双向同时选择开关电路的n个选择开关S_s1、S_s2、…、S_sn和n个选择二极管D_s1、D_s2、…、D_sn的电压应力均分别为U_i1、U_i2、…、U_in，单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为U_i1+U_i2+…+U_in或U_b；所述的供电系统的n路输入源U_i1、U_i2、…、U_in的占空比调节范围大，在一个开关周期内按U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1先后次序同时向负载供电，仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)。

本发明是将传统的两级新能源多端口供电系统的拓扑结构构建为新型的单级新能源多端口集成供电系统拓扑结构，提出了同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的拓扑结构及其限功率能量管理控制策略，即该拓扑结构是由一个三绕组工频变压器将一个具有输入滤波器和输出滤波电感L_f1的前置串联同时选择开关的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输入滤波器和输出滤波电感L_f2的储能元件单输入单输出双向高频逆变电路以及一个输出滤波电容联接构成，新能源n输入单输出双向高频逆变电路和储能元件单输入单输出双向高频逆变电路的输出端分别通过一个滤波电感(外接电感与变压器绕组的漏感相串联或仅由变压器绕组的漏感实现)与n输入源端口绕组、储能元件端口绕组相联接。

本发明的同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统能将多个不共地不稳定的输入源电压逆变成一个负载所需的稳定优质的输出交流电，具有输出与输入工频隔离、多输入电源不共地且在一个开关周期内同时供电、拓扑结构简洁、多输入源占空比调节范围大、多输入源-储能元件-输出负载三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高、成本低、适用于多输入源电压大小相差较大的场景等特点，其综合性能将比传统的两级新能源多端口供电系统优越。

附图说明

图1，多个单向直流变换器输出端串联的两级新能源多端口供电系统。

图2，多个单向直流变换器输出端并联的两级新能源多端口供电系统。

图3，新型的单级新能源多端口集成供电系统的原理框图。

图4，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的原理框图。

图5，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的电路结构图。

图6，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统采用单极性SPWM控制时的稳态原理波形图。

图7，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的电路拓扑实例--全桥式电路原理图。

图8，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的限功率能量管理控制策略。

图9，具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的多输入源同时供电的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理单极性SPWM控制框图。

图10，具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的多输入源同时供电的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理单极性SPWM控制原理波形图。

图11，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的输出电压u_o和输出滤波电感电流i_Lf1、i_Lf2波形。

图12，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的工作模式Ⅰ--多输入源对输出负载和储能元件供电。

图13，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的工作模式Ⅱ--多输入源和储能元件对输出负载供电。

图14，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的工作模式Ⅲ--多输入源对输出负载供电、储能元件既不充电也不放电。

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明的技术方案做进一步描述。

同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的拓扑结构，是由一个三绕组工频变压器将一个具有输出滤波电感L_f1的同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感L_f2的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路和一个输出滤波电容C_f联接构成，n为多输入源的路数、不小于2的自然数；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个不共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接，其输出端与输出滤波电感L_f1、三绕组工频变压器的n输入源端口绕组N₁₁相级联，L_f1由外接电感与绕组N₁₁的漏感相串联或仅由绕组N₁₁的漏感实现；所述的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路的输入端与输入滤波器的输出端相联接、输出端与输出滤波电感L_f2和三绕组工频变压器的储能元件端口绕组N₁₂相级联，L_f2由外接电感与绕组N₁₂的漏感相串联或仅由绕组N₁₂的漏感实现；所述的输出滤波电容C_f与三绕组工频变压器的输出负载端口绕组N₂相联接；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由n输入单输出双向同时选择开关电路、单输入单输出双向全桥高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出双向全桥高频逆变电路，n输入单输出双向同时选择开关电路是由n路双向同时选择开关电路以其每路的正、负极性输出端顺向串联构成，每一路双向同时选择开关电路是由一个能承受单向电压应力、双向电流应力的选择开关和一个选择二极管构成且选择开关的发射极与选择二极管的阴极相联接，选择开关的集电极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输入端，选择开关的发射极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输出端；所述的n输入源直流端口和储能元件直流端口的两套单输入单输出双向全桥高频逆变电路均由左、右桥臂或上、下桥臂的四个承受单向电压应力双向电流应力的高频功率开关构成，两个上桥臂开关的集电极和两个下桥臂开关的发射极分别与n输入单输出双向同时选择开关电路或储能元件输入滤波器的正、负极性输出端相连接，左上桥臂开关的发射极和左下桥臂开关的集电极与输出滤波电感L_f1或L_f2的一端相联接，右上桥臂开关的发射极和右下桥臂开关的集电极与工频变压器原绕组N₁₁或N₁₂的一端相联接，输出滤波电感L_f1、L_f2的另一端分别与工频变压器原绕组N₁₁、N₁₂的另一端相联接；所述的n路双向同时选择开关电路的n个选择开关S_s1、S_s2、…、S_sn和n个选择二极管D_s1、D_s2、…、D_sn的电压应力均分别为U_i1、U_i2、…、U_in，单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为U_i1+U_i2+…+U_in或U_b；所述的供电系统的n路输入源U_i1、U_i2、…、U_in的占空比调节范围大，在一个开关周期内按U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1先后次序同时向负载供电，仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)。

同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的原理框图、电路结构及其采用单极性SPWM控制时的稳态原理波形，如图4、5、6所示。图4、5、6中，U_i1、U_i2、…、U_in为n路输入直流电压源，n为不小于2的自然数，Z_L为单相输出交流负载(交流电网)，u_o、i_o分别为单相输出交流电压(交流电流)。n输入单输出双向高频逆变电路是由前置n路双向同时选择开关电路、单输入单输出双向高频逆变电路依序级联构成，其中前置n路双向同时选择开关电路是由n个能承受单向电压应力和双向电流应力的高频选择开关S_s1、S_s2、…、S_sn(同时开通或有相位差开通，开关频率相同或不同，这里仅分析相同开关频率、同时开通控制方式)和n个选择二极管D_s1、D_s2、…、D_sn构成，单输入单输出双向高频逆变电路是由多个能承受单向电压应力双向电流应力的MOSFET、IGBT等高频功率开关构成，n路输入滤波器为电容滤波器或LC滤波器；储能元件单输入单输出双向高频环节逆变电路也是由多个能承受单向电压应力双向电流应力的MOSFET、IGBT等高频功率开关构成，n路输入滤波器为电容滤波器或LC滤波器。图5为采用输入电容滤波器的情形，采用LC输入滤波器时输入直流电流会更平滑。该系统采用双极性SPWM或单极性SPWM控制策略，图6给出了采用单极性SPWM控制策略时的稳态原理波形。n输入单输出双向高频逆变电路将n路输入直流电压源U_i1、U_i2、…、U_in调制成幅值随输入供电电源数变化的双极性两态(双极性SPWM调制)多电平SPWM电压波u_AB(输出正半周+1态和输出负半周-1态的幅值均为U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1，输出正半周-1态和输出负半周+1态的幅值为U_i1+U_i2+…+U_in)，或单极性三态(单极性SPWM调制)的多电平SPWM电压波u_AB(+1态和-1态的幅值均为U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1)，经输出滤波电感L_f1、工频变压器T、输出滤波电容C_f后在单相输出交流负载或交流电网上获得优质的正弦交流电压u_o或交流电流i_o。n个输入脉冲电流经输入滤波器后在n路输入直流电源U_i1、U_i2、…、U_in中获得平滑的输入直流电流I_i1、I_i2、…、I_in；储能元件单输入单输出双向高频逆变电路将储能元件电压U_b调制成幅值随输入直流电压变化的双极性两态(双极性SPWM调制)或单极性三态(单极性SPWM调制)的两电平SPWM电压波u_CD(+1态幅值为U_b，-1态幅值为-U_b)，经输出滤波电感L_f2、工频变压器T、输出滤波电容C_f后实现多输入源能量不足时的补充和多输入源能量过多时的存储。

同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的电路拓扑实施例，包括推挽式、推挽正激式、半桥式和全桥式电路，推挽式、推挽正激式和半桥式电路只能采用双极性SPWM调制策略，而全桥式电路可以采用双极性和单极性SPWM调制策略，推挽正激式电路和半桥式电路仅适用于n个输入电源调制比基本相等的情形。n输入单输出双向同时选择开关电路均由n个能承受单向电压应力、双向电流应力的高频功率开关和n个二极管构成，而单输入单输出双向高频逆变电路则由两个或四个能承受单向电压应力、双向电流应力的高频功率开关构成(推挽式、推挽正激式和半桥式电路由2个高频功率开关构成，全桥式电路由4个高频功率开关构成)，图7给出了全桥式电路拓扑。同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的四种电路拓扑实施例的功率开关电压应力，如表1所示。由表1可见，系统的逆变电路的功率开关电压应力大，仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景以充分利用功率开关的电压定额，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)。推挽式、推挽正激式电路适用于大功率低压输入逆变场合，半桥式电路适用于中功率高压输入逆变场合，全桥式电路适用于大功率高压输入逆变场合。

表1同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统四种拓扑实施例的功率开关电压应力

设第1、2、…、n个输入源误差放大器的输出信号i_1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne和输出电压误差放大器的输出信号u_e的幅值分别为I_1em+I_2em+…+I_nem、I_2em+I_3em+…+I_nem、…、I_nem、U_em,锯齿形载波信号u_c的幅值为U_cm,则相应的调制度为m₁+m₂+…+m_n＝(I_1em+I_2em+…+I_nem)/U_cm、m₂+…+m_n＝(I_2em+…+I_nem)/U_cm、…、m_n＝I_nem/U_cm、m＝U_em/U_cm，并且有0≤m₁、m₂、…、m_n、m≤1和m_n＜m_n-1+m_n＜…＜m₁+m₂+…+m_n。该供电系统的原理相当于多个电压型单输入逆变器在输出端电压的叠加，或相当于储能元件电压型单输入逆变器的输出电压,即输出电压u_o与多输入源电压(U_i1、U_i2、…、U_in)、工频变压器匝比N₁₁/N₂、调制度(m₁+m₂+…+m_n、m₂+m₃+…+m_n、…、m_n)之间的关系为u_o＝[(m₁+m₂+…+m_n)U_i1+(m₂+m₃+…+m_n)U_i2+…+m_nU_in)]N₂/N₁₁(单极性SPWM调制)或u_o＝{[(2(m₁+m₂+…+m_n)-1]U_i1+[2(m₂+m₃+…+m_n)-1]U_i2+…+(2m_n-1)U_in}N₂/N₁₁(双极性SPWM调制)，或输出电压u_o与储能元件电压U_b、工频变压器匝比N₁₂/N₂、调制度m之间的关系为u_o＝mU_bN₂/N₁₂(单极性SPWM调制)或u_o＝(2m-1)U_bN₂/N₁₂(双极性SPWM调制)。对于适当的调制度m₁+m₂+…+m_n、m₂+m₃+…+m_n、…、m_n、m和工频变压器匝比N₁₁/N₂、N₁₂/N₂，u_o可大于、等于或小于多输入源电压之和U_i1+U_i2+…+U_in，该供电系统中的工频变压器不但起到提高系统运行的安全可靠性和电磁兼容性，更重要的是起到匹配输出电压与输入电压的作用，即实现了系统的输出电压高于、等于或低于多输入源电压之和U_i1+U_i2+…+U_in的技术效果，应用范围得到了大大拓宽。由于存在0＜m₁+m₂+…+m_n、m₂+m₃+…+m_n、…、m_n＜1(单极性SPWM调制)和[(2(m₁+m₂+…+m_n)-1]+[2(m₂+m₃+…+m_n)-1]+…+(2m_n-1)＜1(双极性SPWM调制)，所以u_o＜(U_i1+U_i2+…+U_in)N₂/N₁,即输出电压u_o总是低于输入直流电压(U_i1、U_i2、…、U_in)与工频变压器匝比N₂/N₁₁乘积之和(U_i1+U_i2+…+U_in)N₂/N₁₁；由于所述供电系统属于单级电路结构，其变压器工作频率等于输出电压频率，n输入单输出双向同时选择开关电路前置于单输入单输出双向全桥高频逆变电路，故也将这类供电系统称为具有前置同时选择开关的单级工频环节新能源多端口集成供电系统。该供电系统的n路输入源U_i1、U_i2、…、U_in的占空比调节范围大，在一个开关周期内按U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1先后次序同时向负载供电，调制度可以相同(m₁+m₂+…+m_n＝m₂+m₃+…+m_n＝…＝m_n)，也可以不同(m₁+m₂+…+m_n≠m₂+m₃+…+m_n≠…≠m_n)。

本发明所述的同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，由于多输入源和储能元件共用一个输出工频变压器及滤波电路，多输入源共用一个单输入单输出双向高频逆变电路，与传统的两级新能源多端口供电系统的拓扑结构存在着本质上的区别。因此，本发明所述供电系统具有新颖性和创造性，并且具有输出与输入工频隔离、多输入电源不共地且在一个开关周期内同时供电、拓扑结构简洁、逆变电路的功率开关电压应力大、多输入源占空比调节范围大、三类端口间单级功率变换、体积和重量小、变换效率高(能量损耗小)、成本低、输入电压配制灵活、输出电压纹波小、输出容量大、仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景以充分利用功率开关的电压定额等特点，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)，是一种理想的节能降耗型单级新能源多端口供电系统，在大力倡导建设节能型、节约型社会的今天更具有重要价值。

为了实现光伏、风力等新能源的充分利用，需要采用最大功率输出能量管理方式。光伏和风力通常具有互补特性、难以同时输出额定的最大功率，为了提高新能源多端口供电系统的变换效率和降低成本，需要根据实际工况对其耐受容量进行优化设计。在功率大范围波动的极端工况下，光伏、风力等新能源输出的最大功率会超过多端口供电系统的耐受容量，导致多端口供电系统无法安全可靠运行，此时必须限制光伏、风力等新能源输出的最大功率，即使其退出MPPT状态。多端口供电系统不但需要对多输入源直流端口进行能量管理，而且还需要通过控制策略实现两类直流端口间的功率分配。为此，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统的能量管理控制需要对多输入源直流端口高频逆变电路的最大输出功率、储能元件直流端口高频逆变电路的功率流大小和方向进行控制以实现两类直流端口的功率分配和系统的输出电压稳定。因此，同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统采用具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率跟踪环路和多输入源最大输出功率限制环路的限功率能量管理SPWM控制策略，如图8所示。图8中，u_o、u_r分别为输出反馈电压和基准电压，U₁、I_1ref、I₁、P_1ref、P₁分别为第1路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率，U₂、I_2ref、I₂、P_2ref、P₂分别为第2路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率，…，U_n、I_nref、I_n、P_nref、P_n分别为第n路输入源的输出电压、基准电流、输出电流、输出功率基准和输出功率，sin(ωt)为输出电压(电流)的同步信号。限功率控制是在n路输入源MPPT环路的基础上附加n个限功率环路来实现的：正常工况下，P₁<P_1ref、P₂<P_2ref、…、P_n<P_nref，n个限功率环路的输出u_m1、u_m2、…、u_mn分别通过二极管D_b1和电阻R_b1、二极管D_b2和电阻R_b2、…、二极管D_bn和电阻R_bn组成的n个限幅电路,由于u_m1＞0、u_m2＞0、…、u_mn＞0，D_b1、D_b2、…、D_bn截止，I_e1＝I_e1 ^*、I_e2＝I_e2 ^*、…、I_en＝I_en ^*，u_m1、u_m2、…、u_mn对第1、2、…、n路输入源的MPPT环路不产生影响，即限功率环路不起作用；极端工况下，只要有1路输入源的功率大范围波动都须限制功率，设n路输入源功率P₁>P_1ref、P₂>P_2ref、…、P_n>P_nref，n个限功率环路的输出u_m1＜0、u_m2＜0、…、u_mn＜0，D_b1、D_b2、…、D_bn导通，I_e1＝I_e1 ^*+u_m1＜I_e1 ^*、I_e2＝I_e2 ^*+u_m2＜I_e2 ^*、…、I_en＝I_en ^*+u_mn＜I_en ^*，u_m1、u_m2、…、u_mn对第1、2、…、n路输入源的MPPT环路的输出I_e1、I_e2、…、I_e2进行限幅，n路输入源退出MPPT状态，从而限制了多输入源直流端口高频逆变电路的调制度m₁+m₂+…+m_n、m₂+m₃+…+m_n、…、m_n和多端口集成供电系统传递的最大功率，确保多端口集成供电系统的安全可靠运行。

下面对系统正常工况下(限功率环路不起作用)的具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的多输入源同时供电的输入电流瞬时值反馈最大功率输出能量管理SPWM控制策略作进一步论述。采用单极性SPWM和双极性SPWM调制策略，图9、10给出了采用单极性SPWM调制策略时的控制框图和控制原理波形。n路输入源的电流反馈信号I_i1f、I_i2f、…、I_inf分别与n路输入源经最大功率点计算后得到的基准电流信号I_i1r、I_i2r、…、I_inr经比例积分误差放大器比较放大，输出误差放大信号I_1e、I_2e、…、I_ne分别与正弦同步信号相乘、再通过加法器输出i_1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne信号；系统输出电压反馈信号u_of与基准正弦电压u_r经比例积分误差放大器比较放大输出误差放大信号u_e；i _1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne和u_e均与系统输出电压正、负半周分别为正、负极性的锯齿形载波u_c交截并经输出电压选通信号和适当的逻辑变换电路后输出n路双向同时选择开关电路功率开关的控制信号u_gss1、u_gss2、…、u_gssn和单输入单输出双向全桥高频逆变电路功率开关的控制信号u_gs1、u_gs2、u_gs3、u_gs4以及储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路功率开关的控制信号u_gsb1、u_gsb2、u_gsb3、u_gsb4。n路误差放大器(电流)分别独立工作且与第n+1路误差放大器(电压)分别独立工作，前者用于实现n路输入源的最大功率输出，后者用于实现供电系统输出电压的稳定，n路输入源和储能元件密切配合向负载供电。当多输入源电压或负载变化时，通过调节基准电压u_r和基准电流i_i1r、i_i2r、…、i_inr,或调节反馈电压u_of和反馈电流i_i1f、i_i2f、…、i_inf来改变电压误差放大信号u_e和电流误差放大信号i_1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne，从而改变调制度m₁+m₂+…+m_n、m₂+m₃+…+m_n、…、m_n、m，故可实现所述供电系统输出电压、输入电流(输出功率)的调节与稳定。图10所示控制原理波形标出了开关周期T_S和第1、2、…、n路输入源的导通时间T_on1、T_on2、…、T_onn以及功率开关S₁的导通时间T_on，T_on＝T_on1＞T_on2＞…＞T_onn，导通时间T_on在一个输出电压周期内是按正弦规律变化的。需要补充说明的是，当系统用于并网发电时需要将输出电压的独立控制环路调整为并网电流的独立控制环路。

以同时供电型单级工频环节新能源多端口集成独立供电系统带阻性负载为例，论述储能元件直流端口高频逆变电路的功率流向和系统输出电压的控制，如图11、12、13、14所示。对于输出滤波电容C_f和输出负载Z_L＝R_L来说，多输入源直流端口高频逆变电路、储能电池直流端口高频逆变电路分别通过L_f1、L_f2在三绕组工频变压器T的两个直流端口绕组N₁₁、N₁₂并接，相当于两个电流源在输出负载端口绕组N₂并联叠加。由图11所示系统的输出电压u_o和输出滤波电感电流i_Lf1、i_Lf2波形可见，多输入源直流端口高频逆变电路的i_Lf1与u_o同频同相，输出有功功率；而储能电池直流端口高频逆变电路是通过u_o与基准电压u_r的误差放大信号与高频锯齿载波交截生成的SPWM信号进行控制的，其i_Lf2与u_o之间存在相位差θ，不同的相位差θ意味着输出不同大小和方向的有功功率。当P_o＜P_1max+P_2max+…+P_nmax时，u_o增大，θ＞90°，储能元件直流端口高频逆变电路吸收有功功率，即多入源输出的剩余功率对储能元件充电--供电模式Ⅰ，此时等效于图12所示多输入双输出多端口集成变换系统；当P_o>P_1max+P_2max+…+P_nmax时，u_o减小，θ＜90°，储能元件直流端口高频逆变电路输出正的有功功率对输出负载放电，即储能元件提供输出负载所需的不足功率--供电模式Ⅱ，此时等效于图13所示多输入源与储能元件并联多绕组同时供电的多输入单输出多端口集成逆变系统；当P_o＝P_1max+P_2max+…+P_nmax时，θ＝90°，储能元件直流端口高频逆变电路输出的有功功率为零，储能元件既不充电也不放电--供电模式Ⅲ，此时等效于图14所示多输入单输出多端口集成逆变系统。因此，该能量管理控制策略能根据P_o与P_1max+P_2max+…+P_nmax的相对大小实时控制储能元件直流端口高频逆变电路的功率流大小和方向，实现光伏和风力等多输入源的最大功率输出、两类直流端口的功率分配、系统输出电压的稳定以及系统在三种不同供电模式下的平滑无缝切换功能。在此基础上，通过限制极端工况下多输入源输出的最大功率，就可以实现图8所示的具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率跟踪环路和多输入源最大输出功率限制环路的限功率能量管理SPWM控制策略。

与分时供电型单级低频链新能源多端口集成供电系统、工频隔离型单级新能源多端口混合功率器件集成逆变器技术方案相比，本技术发明由于具有不同的拓扑结构、电路连接关系和限功率能量管理控制策略，虽然双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力大，即均为U_i1+U_i2+…+U_in或储能元件电压U_b，但取得了“n路输入源U_i1、U_i2、…、U_in的占空比调节范围大，在一个开关周期内按U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1先后次序同时向负载供电，仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)”等技术效果。

Claims

1.一种同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，其特征在于：这种供电系统的拓扑结构是由一个三绕组工频变压器将一个具有输出滤波电感L_f1的同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路、一个具有输出滤波电感L_f2的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路和一个输出滤波电容C_f联接构成，n为多输入源的路数、不小于2的自然数；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路的每个输入端与n个不共地的输入滤器的每个输出端一一对应联接，其输出端与输出滤波电感L_f1、三绕组工频变压器的n输入源端口绕组N₁₁相级联，L_f1由外接电感与绕组N₁₁的漏感相串联或仅由绕组N₁₁的漏感实现；所述的储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路的输入端与输入滤波器的输出端相联接、输出端与输出滤波电感L_f2和三绕组工频变压器的储能元件端口绕组N₁₂相级联，L_f2由外接电感与绕组N₁₂的漏感相串联或仅由绕组N₁₂的漏感实现；所述的输出滤波电容C_f与三绕组工频变压器的输出负载端口绕组N₂相联接；所述的具有同时选择开关电路的新能源n输入单输出双向高频逆变电路是由n输入单输出双向同时选择开关电路、单输入单输出双向全桥高频逆变电路依序级联构成，在任意时刻相当于一个单输入单输出双向全桥高频逆变电路，n输入单输出双向同时选择开关电路是由n路双向同时选择开关电路以其每路的正、负极性输出端顺向串联构成，每一路双向同时选择开关电路是由一个能承受单向电压应力、双向电流应力的选择开关和一个选择二极管构成且选择开关的发射极与选择二极管的阴极相联接，选择开关的集电极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输入端，选择开关的发射极和选择二极管的阳极分别为该路双向同时选择开关电路的正、负极性输出端；所述的n输入源直流端口和储能元件直流端口的两套单输入单输出双向全桥高频逆变电路均由左、右桥臂或上、下桥臂的四个承受单向电压应力双向电流应力的高频功率开关构成，两个上桥臂开关的集电极和两个下桥臂开关的发射极分别与n输入单输出双向同时选择开关电路或储能元件输入滤波器的正、负极性输出端相连接，左上桥臂开关的发射极和左下桥臂开关的集电极与输出滤波电感L_f1或L_f2的一端相联接，右上桥臂开关的发射极和右下桥臂开关的集电极与工频变压器原绕组N₁₁或N₁₂的一端相联接，输出滤波电感L_f1、L_f2的另一端分别与工频变压器原绕组N₁₁、N₁₂的另一端相联接；所述的n路双向同时选择开关电路的n个选择开关S_s1、S_s2、…、S_sn和n个选择二极管D_s1、D_s2、…、D_sn的电压应力均分别为U_i1、U_i2、…、U_in，单输入单输出双向全桥高频逆变电路的四个功率开关的电压应力均为U_i1+U_i2+…+U_in或U_b；所述的供电系统的n路输入源U_i1、U_i2、…、U_in的占空比调节范围大，在一个开关周期内按U_i1+U_i2+…+U_in、U_i1+U_i2+…+U_in-1、…、U_i1先后次序同时向负载供电，仅适用于多输入源电压U_i1-U_imax≥300V且U_imax-U_imin≤100V的场景，U_imax＝max(U_i2、…、U_in),U_imin＝min(U_i2、…、U_in)。

2.根据权利要求1所述的同时供电型单级工频环节新能源多端口集成供电系统，其特征在于：这种供电系统采用具有储能元件直流端口高频逆变电路输出电压独立控制环路的输入电流瞬时值反馈最大功率跟踪环路和多输入源最大输出功率限制环路的限功率能量管理SPWM控制策略；第1、2、…、n路输入源的电流反馈信号I_i1f、I_i2f、…、I_inf分别与第1、2、…、n路输入源经最大功率点计算后得到的基准电流信号I_i1r、I_i2r、…、I_inr经比例积分误差放大器比较放大，输出误差放大信号I_1e、I_2e、…、I_ne分别与正弦同步信号相乘、再通过加法器输出i_1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne信号，系统输出电压反馈信号u_of与基准正弦电压u_r经比例积分误差放大器比较放大输出误差放大信号u_e，i_1e+i_2e+…+i_ne、i_2e+i_3e+…+i_ne、…、i_ne和u_e均与系统输出电压正、负半周分别为正、负极性的锯齿形载波u_c交截并经输出电压选通信号和适当的逻辑变换电路后输出n路双向同时选择开关电路功率开关的控制信号u_gss1、u_gss2、…、u_gssn和单输入单输出双向全桥高频逆变电路功率开关的控制信号u_gs1、u_gs2、u_gs3、u_gs4以及储能元件单输入单输出双向全桥高频逆变电路功率开关的控制信号u_gsb1、u_gsb2、u_gsb3、u_gsb4。