電能轉換裝置及相應的電能管理連接系統的制作方法

本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及一種電能轉換裝置以及電能管理連接系統。

背景技術：

工業配電網領域，以太陽能、風能等清潔能源為原料的分布式電源技術迅速發展。這種容量在幾千瓦至幾兆千瓦的發電設備，連接在工業配電網中，可以與鄰近的負荷構成配網子系統，也稱微電網。工業微電網具有靈活的運行方式，既可并網運行，也可孤島運行。并網運行時，微電網與電網之間的潮流具有雙向性，微電網既可向電網輸送過剩的功率，也可從電網獲得功率補充；當電網出現故障時，微電網可以脫離電網形成孤島，這樣可以確保微電網內重要負荷的電力供應。但現有的電能轉換以及管理系統結構復雜，可靠性不高，而且不能兼容交流和直流的同時輸入輸出。

因此，希望設計出一種應于工業配電網的、結構簡單、安全性高、且能兼容交流和直流電能同時輸入輸出的電能轉換以及管理系統。

技術實現要素：

本發明的一個目的在于提供結構更簡單，安全性更高，且能兼容交流和直流電能同時輸入輸出的電能轉換裝置和電能管理連接系統。

根據本發明的一個實施例，提供了一種電能轉換裝置，所述電能轉換裝置包括：交流輸入端，用于連接交流電輸入；第一交流到直流轉換模塊，其輸入端與所述交流輸入端連接，用于將所輸入的交流電轉化成直流電；直流輸入端，用于連接直流電輸入；第一直流到交流轉換模塊，其輸入端與所述直流輸入端連接，同時連接所述第一交流到直流轉換模塊的輸出，用于將所輸入的直流電轉化成交流電；變壓器模塊，其初級側與所述第一直流到交流轉換模塊的輸出 端連接；第二交流到直流轉換模塊，其輸入端與所述變壓器模塊的次級側連接，用于將所輸入的交流電轉化成直流電；直流輸出端，與所述第二交流到直流轉換模塊的輸出端連接，用于輸出直流電能；交流輸出端，用于輸出交流電能；第二直流到交流轉換模塊，其輸入端與所述第二交流到直流轉換模塊的輸出端連接，用于將所輸入的直流電轉化成交流電，并將該交流電通過交流輸出端輸出。

可選地，所述第一交流到直流轉換模塊是整流橋電路。

可選地，所述第一直流到交流轉換模塊包含：升壓斬波電路，全橋逆變電路和蓄電池接口；所述升壓斬波電路的輸入端與所述第一交流到直流轉換模塊的輸出端連接，用于將所輸入的直流電升壓斬波；所述蓄電池接口與所述升壓斬波電路的輸出端連接，用于連接外接蓄電池以儲存或放出直流電能；所述全橋逆變電路與升壓斬波電路的輸出端連接，用于把所輸入的直流電轉化成交流電。

可選地，所述升壓斬波電路包含：電感，晶體管，二極管和電容；電感串接于第一交流到直流轉換模塊的輸出端與晶體管的集電極之間，二極管和電容并接在晶體管的集電極和發射極之間，所述電容作為所述升壓電路的輸出端與所述全橋逆變電路以及蓄電池接口并接。

可選地，所述升壓斬波電路包含：電感，晶體管，二極管和電容；電感串接于第一交流到直流轉換模塊的輸出端與晶體管的集電極之間，二極管和電容串接后接在晶體管的集電極和發射極之間，所述電容作為所述升壓電路的輸出端與蓄電池接口的一側連接，蓄電池接口的另一側與全橋逆變電路的輸入端連接。

可選地，所述第二交流到直流轉換模塊包含整流橋電路以及與所述整流橋電路并接的濾波電路。

可選地，所述第二直流到交流轉換模塊是一種全橋逆變電路。

根據本發明的一個實施例，提供了一種電能管理連接系統，所述電能管理連接系統包含：三相電能轉換裝置，其中每一相的電能轉換裝置是上述電能轉換裝置；交流源，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸入端連接，用于向相應電能變換裝置輸入交流電能；直流源，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸入端連接，用于向相應電能變換裝置輸 入直流電能；直流供電線路，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸出端連接，接收相應電能轉換裝置輸出的直流電能；交流供電網，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接，接收相應電能轉換裝置輸出的交流電能。

可選地，電能管理連接系統還包括：第一開關組，所述交流源通過所述第一開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸入端連接；第二開關組，所述直流源通過所述第二開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸入端連接；第三開關組，所述直流供電線路通過所述第三開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸出端連接。

可選地，電能管理連接系統還包括：變壓器組，其初級側與各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接，其中所述交流供電網連接所述變壓器組的次級側，從而通過變壓器組與各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接。

由于根據本發明實施例的電能轉換裝置有交流輸入端、直流輸入端、直流輸出端、交流輸出端，因此能達到兼容交流和直流電能同時輸入輸出的效果。由于第一直流到交流轉換模塊與第二交流到直流轉換模塊通過變壓器模塊相連，實現了在電能轉換過程中的高頻電氣隔離，如果第二交流到直流轉換模塊及其之后的部分發生短路等故障，則不會影響到第一直流到交流轉換模塊及其之前的部分，達到了安全性更高的效果。由于本發明實施例采用直流、交流輸入/出端和一些轉換模塊的結構來實現上述功能，達到了結構簡單的目的。

附圖說明

通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所做的詳細描述，本發明的其它特征、目的和優點將會變得更明顯。

圖1是根據本發明的實施例的電能管理連接系統的基本原理圖；

圖2是根據本發明的實施例的電能轉換裝置拓撲結構示意圖；

圖3是根據本發明的實施例的電能管理連接系統的結構示意圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發明的實施例。

所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相 同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。下文的公開提供了不同實施例或例子來實現本發明的不同結構。為了簡化本發明的公開，下文中對特定例子部件和設置進行描述。當然，它們僅僅為示例，并且目的不在于限制本發明。

圖1示出了根據本發明的實施例的電能管理連接系統的基本原理。該電能管理連接系統主要分為三個部分：輸入級，中間級和輸出級。其中，輸入級包括交流源和直流源；中間級是一種電能變換裝置，用于對所輸入的電流進行功率變換；特別的，所述功率變換包含：交流到直流轉換，交流到交流轉換和直流到交流轉換；輸出級包括直流供電線路和交流供電網。輸入級向中間級輸入交流或直流電能，中間級根據需要對所輸入電流進行功率轉換，最后將轉換后的電能以直流或交流電能的形式向輸出級輸出。該基本原理圖描述的電能轉換管理連接系統具有同時輸入輸出交流電和直流電的功能。

以下將根據本發明的實施例，并結合圖2和圖3詳細的描述上述原理的具體實施方式。

圖2示出了根據本發明的實施例的電能轉換裝置的拓撲結構。該電能轉換裝置包括：交流輸入端010，用于輸入交流電能；第一交流到直流轉換模塊020，其輸入端與所述交流輸入端010連接，用于將所輸入的交流電轉化成直流電；直流輸入端030，用于輸入直流電能；第一直流到交流轉換模塊040，其輸入端與所述直流輸入端030連接，同時連接所述第一交流到直流轉換模塊020的輸出，用于將所輸入的直流電轉化成交流電；變壓器模塊050，其初級側與所述第一直流到交流轉換模塊040的輸出端連接；第二交流到直流轉換模塊060，其輸入端與所述變壓器模塊050的次級側連接，用于將所輸入的交流電轉化成直流電；直流輸出端070，與所述第二交流到直流轉換模塊060的輸出端連接，用于輸出直流電能；交流輸出端090，用于輸出交流電能；第二直流到交流轉換模塊080，其輸入端與所述第二交流到直流轉換模塊060的輸出端連接，用于將所輸入的直流電轉化成交流電，并將該交流電通過交流輸出端090輸出。

可以看到，第一直流到交流轉換模塊040與第二交流到直流轉換模塊060通過變壓器模塊050相連，實現了在電能轉換過程中的高頻電氣隔離，如果第二交流到直流轉換模塊060及其之后的部分發生短路等故障，則不會影響到第 一直流到交流轉換模塊040及其之前的部分。

在一個實施例中，所述第一交流到直流轉換模塊020是一種整流橋電路。所述整流橋電路包含四個二極管D1，D2，D3，D4。所述二極管兩兩對接后與電路的輸出和輸入端做橋式連接，構成基本整流功能模塊。這里的整流橋電路也可以替換為不同形式的橋式整流器，只要具有將交流電轉換為直流電的功能即可。

在一個實施例中，所述第一直流到交流轉換模塊040包含：升壓斬波電路041，蓄電池接口042和全橋逆變電路043；所述升壓斬波電路041的輸入端與所述第一交流到直流轉換模塊020的輸出端連接，用于將所輸入的直流電升壓斬波；所述蓄電池接口042與所述升壓斬波電路041的輸出端連接，用于連接外接蓄電池以儲存或放出直流電能；所述全橋逆變電路043的輸入端與升壓斬波電路041的輸出端連接，用于把所輸入的直流電轉化成交流電。

在一個實施例中，所述升壓斬波電路041包含：電感L1，晶體管S1，二極管D5和電容C1；電感L1串接于第一交流到直流轉換模塊020的輸出端與晶體管S1的集電極之間，二極管D5和電容C1串聯后接在晶體管S1的集電極和發射極之間，所述電容C1作為所述升壓電路的輸出端與蓄電池接口042的一側連接，蓄電池接口的另一側與全橋逆變電路的輸入端連接。該升壓斬波電路041中，可通過控制晶體管S1的導通和關斷，利用電感L1的儲能作用，對電容兩端電壓進行升壓，同時對電容兩端的輸入電流進行斬波，如果蓄電池接口042連接有外接蓄電池，那么在升壓斬波的過程中就可以對蓄電池進行充電。通過控制晶體管S1的導通和斷開次數，控制電容兩端電壓的最終大小。

在一個實施例中，所述全橋逆變電路包括四個晶體管S2，S3，S4，S5。晶體管S2的發射極與晶體管S4的集電極連接，晶體管S3的發射極與晶體管S5的集電極連接。串接的晶體管S2和S4與串聯的晶體管S3和S5并聯起來的并聯點作為全橋逆變電路的輸入端，晶體管S2和S4的連接點、晶體管S3和S5的連接點作為全橋逆變電路的輸出端。

與現有技術的直流到交流，再接交流到直流所完成的直流到直流的轉換功能相比，本發明在所述第一直流到交流轉換模塊040當中升壓斬波電路041的輸出端并入蓄電池接口042，該蓄電池接口042可以外接蓄電池，那么無論所述電能轉換裝置是否向外接輸出電能，都可以在有電能輸入時，將電能儲存起來； 并且可以在無電能輸入所述電能轉換裝置時，所連接的蓄電池可以充當電能輸入，通過該電能轉換裝置向外界輸出電能。此外，該蓄電池接口042位于第一交流到直流轉換模塊020以及升壓斬波電路041下游，也就是說插接于該蓄電池接口的電池可以同時儲存來自交流和直流的電能。如此設計減小了電力電子系統的規模，更重要的是，使所述電能轉換裝置較傳統的電能轉換裝置具有儲能功能，且同時可儲存來自交流和直流的電能。

在一個實施例中，所述第二交流到直流轉換模塊060包含整流橋電路061以及與所述整流橋電路并接的濾波電路062。所述整流橋電路包含四個二極管D6，D7，D8，D9，形成橋式連接。濾波電路062包括起濾波作用的電容C2和C3。D6-D9以及C2-3之間的連接關系見圖2。

在一個實施例中，所述第二直流到交流轉換模塊080是一種全橋逆變電路。所述全橋逆變電路包括四組晶體管與二極管組合Z1，Z2，Z3，Z4,形成橋式連接。Z1，Z2，Z3，Z4中的每一個分別包括并聯的晶體管和二極管。Z1，Z2，Z3，Z4之間的連接關系和內部連接關系見圖2。通過控制所述晶體管導通和關斷的相位，來控制輸出交流電壓的占空比，進而控制其頻率和幅值。

在一個實施例中，三套電能轉換裝置可以并聯在一起，構成三相電能轉換電力電子系統，如圖3中S100所示，其中，各相電能轉換裝置P1，P2，P3可拆卸，可更換。

圖3示出了據本發明的實施例的電能管理連接系統的拓撲結構，該電能管理連接系統包括：

三相電能轉換裝置P1，P2，P3，其中每一相的電能轉換裝置是如上所述的電能轉換裝置；

交流源S600，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸入端連接，用于向相應電能變換裝置輸入交流電能；

直流源S700，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸入端連接，用于向相應電能變換裝置輸入直流電能；

直流供電線路S800，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸出端連接，接收相應電能轉換裝置輸出的直流電能；

交流供電網S900，與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接，接收相應電能轉換裝置輸出的交流電能。

該電能管理連接系統還可以包括：

第一開關組S200，所述交流源通過所述第一開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的交流輸入端連接；

第二開關組S300，所述直流源通過所述第二開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸入端連接；

第三開關組S400，所述直流供電線路通過所述第三開關組與所述三相電能轉換裝置的各相的電能轉換裝置的直流輸出端連接。

該電能管理連接系統還可以包括：

變壓器組S500，其初級側與各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接，其中所述交流供電網連接所述變壓器組的次級側，從而通過變壓器組與各相的電能轉換裝置的交流輸出端連接。

在一個實施例中，交流源S600是風力發電產生的交流電源；交流源傳輸電能采用四線三相接法；直流源S700是直流源是太陽能電池，燃料電池，生物質以及超級電容產生的直流電源；所述電源均為分布式發電設備。

在一個實施例中，第一開關組S200和第二開關S300組可以分別接通或者同時接通，用于分別向所述三相電能轉換電力電子系統S100提供直流或交流電能，或者同時向所述三相電能轉換電力電子系統S100提供直流和交流電能。

在一個實施例中，第三開關組S400斷開時，所述三相電能轉換電力電子系統S100只向交流供電網S900輸出交流電能；第三開關S400組接通時，所述三相電能轉換電力電子系統S100同時分別向所述直流供電線路S800和所述交流供電網S900輸出直流電能和交流電能。

所述電能轉換裝置設有交流輸入端010，直流輸入端030，交流輸出端090，直流輸出端070，而在所述電能管理連接系統S100中，可切換各組開關，對交流源S600和直流源S700電能的輸入，和對直流供電線路的輸出進行控制，這樣就達到了在一個電能管理連接系統S100中，通過一個電能轉換裝置，同時具有交流和直流輸入輸出的功能。

另外，采用變壓器組S500耦聯所述三相電能轉換電力電子系統S100的交流輸出端070和交流供電網S900，實現了電能轉換裝置與供電網間的電氣隔離。

與現有技術中直流電能的使用均需從交流電網中再轉換相比，所述電能轉換裝置的直流輸出端070位于所述第二直流到交流轉換模塊080前，并可通過 第三開關組S400連接直流供電線路，該直流供電線路可直接為鄰近負荷提供直流電能。如此就在所述電能轉換裝置附近形成了由鄰近負荷以及電能裝換裝置構成的微電網，大大簡化了鄰近直流供電的電能轉換步驟，提高效率，節省能源。