CN103904905A - 隔离型三端口双向dc/dc变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，取电流型全桥单元或电流型半桥单元与三绕组变压器的一个端口相连，取电压型全桥单元、电压型半桥单元、升压型半桥单元以及串联谐振型全桥单元中的任意两个相同或不同的电压型基本拓扑单元分别与三绕组变压器的另外两个绕组端口相连，构成基于移相控制的三端口双向DC/DC变换器。本发明引入电流型基本拓扑单元，拓展了三端口双向DC/DC变换器的类型，完善了完全隔离的三端口双向DC/DC变换器在各种新能源混合发电系统以及各种混合储能系统中的应用。所合成的完全隔离的三端口双向DC/DC变换器均可利用移相控制实现功率在端口间的双向流动，达到能量优化管理的目的。
Description
技术领域
本发明涉及新型的电力电子接口技术领域，尤其涉及一种隔离型三端口双向DC/DC变换器。
背景技术
随着环境污染和能源危机的日益严重，世界各国采取了提高能源利用率、改善能源结构、探索新能源、发展可再生能源等措施，以实现能源的可持续利用与均衡发展。在各种可再生能源迅速发展的影响下，电源系统正朝着燃料电池、光伏发电、风力发电等新型能源以及蓄电池、超级电容、超导线圈等储能装置综合应用的领域发展。
在传统的配有储能装置的新能源联合供电系统中，每种能源以及储能装置均需通过一个DC/DC变换器变成直流输出，并联在公共的直流母线上，其结构复杂，且成本较高。而多端口双向直流变换器不仅自身具有多输入、多输出，能量双向流动的特点，而且与传统的多个单输入直流变换器相比，具有明显的优势：较少的元器件数量，较高的功率密度，较小的体积以及较低的成本。因此，多端口双向DC/DC变换器更适合于多电源转换系统。
对于多端口双向DC/DC变换器，按照其各端口的连接方式可分为非隔离型，部分隔离型和完全隔离型。非隔离型多端口双向DC/DC变换器各端口的基本拓扑单元通过公共直流母线连接在一起，能量通过公共直流母线进行汇聚和交换，通常采取PWM控制，因此，非隔离型多端口变换器各端口的直流侧电压变化范围受到一定限制，不适用于具有多种电压等级应用场合的多电源系统；部分隔离型多端口双向DC/DC变换器的特点是部分端口共地，这些端口与其他端口电气隔离；完全隔离型的多端口双向DC/DC变换器的每个端口均拥有自己独立的参考地，可以完全摆脱电压等级的束缚，不同的电压可通过相应的匝比相匹配。因此在电压等级相差较大的多输入电源系统中具有更大的优势。另外，由于其结构对称，有利于模块化应用，且可以任意添加模块；通过移相控制可实现两两互传能量。三端口变换器作为多端口变换器的特例成为了本领域的重点研究对象。
通过查阅相关的文献得知：国内外学者所研究的基于移相控制的完全隔离型三端口电路拓扑大部分都是由电压型的基本拓扑单元所合成，比如由三个电压型全桥单元通过一个三绕组变压器耦合而成的三端口电路拓扑，由三个电压型半桥单元通过一个三绕组变压器耦合而成的三端口电路拓扑，由两个电压型半桥单元和一个升压型半桥单元通过一个三绕组变压器耦合成的三端口电路拓扑，由两个升压型半桥单元和一个电压型半桥单元通过一个三绕组变压器耦合成的三端口电路拓扑等。尽管电压型多端口电路拓扑的应用场合比较广，但对于要求端口电流纹波小且电压波动大的应用场合，电压型多端口电路拓扑依然受到了限制。
为了拓展完全隔离型的三端口电路拓扑的合成类型，完善完全隔离型的多端口双向直流变换器在各种新能源混合发电系统以及各种混合储能系统中的应用，本发明引入电流型全桥单元以及电流型半桥单元，提出一种新型的基于移相控制的完全隔离型三端口双向DC/DC变换器。
发明内容
本发明克服了现有技术中的不足，提供一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，其目的在于完善完全隔离的多端口双向DC/DC变换器在各种新能源混合发电系统以及各种混合储能系统中的应用，譬如对于超导磁储能来说，电流型拓扑更适用。本发明所提出的三端口双向DC/DC变换器可以结合移相控制策略的优点，实现能量的优化管理。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，包括三绕组变压器，所述的三绕组变压器将三个独立绕组套装在同一个磁芯上，取电流型全桥单元或电流型半桥单元与三绕组变压器的一个端口相连，取电压型全桥单元、电压型半桥单元、升压型半桥单元以及串联谐振型全桥单元中的任意两个相同或不同的电压型基本拓扑单元分别与三绕组变压器的另外两个绕组端口相连，构成基于移相控制的三端口双向DC/DC变换器；
所述的电流型全桥单元由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关器件串联组成，四个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，均单向导通，关断时双向截止，在两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的电流型半桥单元由两个桥臂对并联组成，每一桥臂对是由一个电感和一个单向导通关断时双向截止的开关器件构成，每个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的电压型全桥单元由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端，输入端并联电容Cin1；
所述的电压型半桥单元由一个开关桥臂对和一个电容桥臂对并联组成，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的升压型半桥单元包括一个开关桥臂对和一个电容桥臂对，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，并将Boost电感的一端与所述开关桥臂对的中点相连，电感的另一端与下桥臂的公共端作为输入端，两桥臂对的中点作为输出端；
所述的串联谐振全桥单元包括两个开关桥臂对，每个桥臂对由两个开关串联组成，前桥臂对的中点与谐振电容的一端相连，谐振电容的另一端与后桥臂对的中点构成输出端，两桥臂对的并联接点作为输入端，输入端并联电容Cin1；
所述的电流型基本拓扑单元与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，由高频电容和移相电感充当能量缓冲单元，其中，所述的移相电感是指变压器的漏感或者是由变压器的漏感以及变压器绕组侧外串的电感构成，电压型基本拓扑单元与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，其能量缓冲单元为移相电感。
在本发明中所采用开关管的型号可以根据变换器传输功率及其端口电压和端口电流的大小而确定，各端口的功率可以根据相应的功率传输关系来确定。
本发明所合成的基于移相控制的完全隔离的三端口双向DC/DC变换器可用于能量管理系统中，即从各种可再生能源以及传统能源获得能量并将其以电能的形式存储起来，最终供给负载，也可实现负载向电源侧馈能。
由于采用上述技术方案，本发明提供的一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，具有这样的有益效果：
本发明引入电流型基本拓扑单元，拓展了三端口双向DC/DC变换器的类型。完善了完全隔离的三端口双向DC/DC变换器在各种新能源混合发电系统以及各种混合储能系统中的应用。所合成的完全隔离的三端口双向DC/DC变换器均可利用移相控制实现功率在端口间的双向流动，达到能量优化管理的目的。其中电流型与电压型基本拓扑单元之间进行移相控制时，其能量缓冲单元是由高频电容和移相电感构成，而电压型与电压型基本拓扑单元之间进行移相控制时，能量缓冲单元为移相电感。
附图说明
图1隔离型三端口双向DC/DC变换器的基本拓扑单元示意图；
图2电流型全桥与两电压型全桥组成的三端口双向DC/DC变换器的电路拓扑示意图；
图3本发明系统控制策略结构示意图；
图4电流源与两电压源间功率传输关系推导示意图；
图5定义移相角的示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细具体的说明；
如图1所示，给出了隔离型三端口双向DC/DC变换器的基本拓扑单元，其中：
图1(a)所示的是电流型全桥单元，它是由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关器件串联组成，四个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，均单向导通，关断时双向截止，在两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
图1(b)所示的是电流型半桥单元，它是由两个桥臂对并联组成，每一桥臂对是由一个电感和一个单向导通关断时双向截止的开关器件构成，每个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
图1(c)所示的是电压型全桥单元，它是由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端，输入端并联电容Cin1；
图1(d)所示的是电压型半桥单元，它是由一个开关桥臂对和一个电容桥臂对并联组成，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
图1(e)所示的是升压型半桥单元，它包括一个开关桥臂对和一个电容桥臂对，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，并将Boost电感的一端与开关桥臂对的中点相连，电感的另一端与下桥臂的公共端作为输入端，两桥臂对的中点作为输出端；
图1(f)所示的是串联谐振全桥单元，它包括两个开关桥臂对，每个桥臂对由两个开关串联组成，前桥臂对的中点与谐振电容C1的一端相连，谐振电容C1的另一端与后桥臂对的中点构成输出端，两桥臂对的并联接点作为输入端，输入端并联电容Cin1；
三绕组变压器将三个独立绕组套装在同一个磁芯上，取图1(a)所示的电流型全桥单元或图1(b)所示的电流型半桥单元与三绕组变压器的一个端口相连，取图1(c)所示的电压型全桥单元、图1(d)所示的电压型半桥单元、图1(e)所示的升压型半桥单元以及图1(f)所示的串联谐振型全桥单元中的任意两个相同或不同的电压型基本拓扑单元分别与三绕组变压器的另外两个绕组端口相连，构成基于移相控制的三端口双向DC/DC变换器；
所述的电流型与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，由高频电容和移相电感充当能量缓冲单元，其中，移相电感是指变压器的漏感或者是由变压器的漏感以及变压器绕组侧外串的电感构成，电压型与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，其能量缓冲单元为移相电感。
图2所示的是由一个图1(a)所示的电流型全桥单元与两个图1(c)所示的电压型全桥单元通过三绕组变压器耦合而成的隔离型三端口双向DC/DC变换器的电路拓扑。
在电流型全桥单元中，如图2所示，它包括直流输入源Upv、第一输入电容Cin1、第一输入电感Lin1、第一至第四开关管S1-S4、第一至第四二极管D1-D4以及高频电容C1；直流输入源Upv的正极分别与第一输入电容Cin1的第一端以及第一输入电感Lin1的第一端相连，直流输入源Upv的负极与第一输入电容Cin1的第二端相连；第一开关管S1的源极与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的源极与第二二极管D2的阳极相连，由此构成第一桥臂，耦合点a为第一桥臂中点；高频电容C1的第一端连接耦合点a；第三开关管S3的源极与第三二极管D3的阳极相连，第三二极管D3的阴极与第四开关管S4的漏极相连，第四开关管S4的源极与第四二极管D4的阳极相连，由此构成第二桥臂，耦合点b为第二桥臂中点；高频电容C1的第二端连接耦合点b；第一输入电感Lin1的第二端连接第一桥臂中第一开关管S1的漏极以及第二桥臂中第三开关管S3的漏极；第一输入电容Cin1的第二端分别与第一桥臂中第二二极管D2的阴极以及第二桥臂中第四二极管D4的阴极相连；第一桥臂中点a、第二桥臂中点b分别与耦合变压器的绕组N1两端连接；
在第一电压型全桥单元中，如图2所示，它包括直流输入源Ubat、第二输入电容Cin2以及第五至第八开关管S5-S8；第五开关管S5的源极与第六开关管S6的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点c为第一桥臂中点；第七开关管S7的源极与第八开关管S8的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点d为第二桥臂中点；第二输入电容Cin2的第一端连接直流输入源Ubat的正极、第一桥臂中第五开关管S5的漏极以及第二桥臂中第七开关管S7的漏极；第二输入电容Cin2的第二端分别与直流输入源Ubat的负极、第一桥臂中第六开关管S6的源极以及第二桥臂中第八开关管S8的源极相连；第一桥臂中点c、第二桥臂中点d分别与耦合变压器的绕组N2两端连接；
在第二电压型全桥单元中，如图2所示，它包括第九至第十二开关管S9-S12、输出电容Co以及负载RL；第九开关管S9的源极与第十开关管S10的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点e为第一桥臂中点；第十一开关管S11的源极与第十二开关管S12的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点f为第二桥臂中点；输出电容Co的第一端连接负载RL的第一端、第一桥臂中第九开关管S9的漏极以及第二桥臂中第十一开关管S11的漏极；输出电容Co的第二端分别与负载RL的第二端、第一桥臂中第十开关管S10的源极以及第二桥臂中第十二开关管S12的源极相连；第一桥臂中点e、第二桥臂中点f分别与耦合变压器的绕组N3两端连接。
以上构成了一个独立的分布式微电网系统。该系统有三种工作模式：
模式1，当光伏输出的功率大于负载所需的功率时，此时，端口1输出功率，端口2、3均吸收功率；
模式2，当光伏输出的功率小于负载所需的功率时，此时，端口1、2均输出功率，端口3吸收功率；
模式3，当负载为馈能装置，进行能量回馈时，端口1、3输出功率，端口2吸收功率。
上述三种模式均可通过移相控制实现，其系统控制策略结构示意图如图3所示。通过控制移相角
实现光伏侧最大功率跟踪，通过控制
实现输出电压恒定。蓄电池作为功率平衡支路，能够迅速平衡系统瞬时功率，维持系统可靠运行。端口间的功率传输关系推导示意图如图4所示，其中图4(a)为三端口双向DC/DC变换器的等效电路，图4(b)为端口1与端口2之间功率传输关系式的叠加定理原理图，图4(c)为端口1与端口3之间功率传输关系式的叠加定理原理图，图4(d)为端口2与端口3之间功率传输关系式的叠加定理原理图。端口1向端口2、端口1向端口3以及端口2向端口3传输的有功功率的具体表达式如式(1)：
其中，Ipv为光伏输出的电流值，Ubat为蓄电池两端的电压值，Uo为负载两端的电压值，开关角频率ω=2πfs，fs为开关频率，L=L1为变压器绕组一侧的移相电感，其值为外串电感与变压器绕组N1侧的漏感之和。为变压器绕组N2、N3侧的移相电感折算到绕组N1侧的电感值。C为绕组N1侧的高频电容C1，
为光伏侧的电流型全桥单元前桥臂对中点输出的电流方波与蓄电池端口的电压型全桥单元两桥臂对中点间的电压方波的移相角，
为光伏侧的电流型全桥单元前桥臂对中点输出的电流方波与负载侧的电压型全桥单元两桥臂对中点间的电压方波的移相角。其移相角的定义示意图如图5所示。
由式(1)可得各端口的功率P1=P12+P13，P2=-P12+P23，P3=-P13-P23。通过控制两移相角即可满足各端口所要求的功率。
上述具体实施方式中选取由一个电流型全桥单元（图1(a)所示）和两个电压型全桥单元（图1(c)所示）分别连接三绕组变压器的三个端口而构成的三端口电路拓扑作为实施例，对其在光伏系统中的应用加以说明。除此拓扑之外，在同一构思下组成的其他拓扑依然适用于光伏系统中，故其他拓扑也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，其特征在于：包括三绕组变压器，所述的三绕组变压器将三个独立绕组套装在同一个磁芯上，取电流型全桥单元或电流型半桥单元与三绕组变压器的一个端口相连，取电压型全桥单元、电压型半桥单元、升压型半桥单元以及串联谐振型全桥单元中的任意两个相同或不同的电压型基本拓扑单元分别与三绕组变压器的另外两个绕组端口相连，构成基于移相控制的三端口双向DC/DC变换器；
所述的电流型全桥单元由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关器件串联组成，四个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，均单向导通，关断时双向截止，在两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的电流型半桥单元由两个桥臂对并联组成，每一桥臂对是由一个电感和一个单向导通关断时双向截止的开关器件构成，每个开关器件由MOSFET或IGBT串联二极管构成，两个桥臂对中点间并联一个高频电容，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的电压型全桥单元由两个桥臂对并联组成，每个桥臂对由两个开关串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端，输入端并联电容Cin1；
所述的电压型半桥单元由一个开关桥臂对和一个电容桥臂对并联组成，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，桥臂对中点为输出端，并联结点为输入端；
所述的升压型半桥单元包括一个开关桥臂对和一个电容桥臂对，开关桥臂对由两个开关串联组成，电容桥臂对由两个电容串联组成，并将Boost电感的一端与所述开关桥臂对的中点相连，电感的另一端与下桥臂的公共端作为输入端，两桥臂对的中点作为输出端；
所述的串联谐振全桥单元包括两个开关桥臂对，每个桥臂对由两个开关串联组成，前桥臂对的中点与谐振电容的一端相连，谐振电容的另一端与后桥臂对的中点构成输出端，两桥臂对的并联接点作为输入端，输入端并联电容Cin1；
所述的电流型基本拓扑单元与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，由高频电容和移相电感充当能量缓冲单元，其中，所述的移相电感是指变压器的漏感或者是由变压器的漏感以及变压器绕组侧外串的电感构成，电压型基本拓扑单元与电压型基本拓扑单元之间通过移相控制进行功率传输时，其能量缓冲单元为移相电感。
2.根据权利要求1所述的一种隔离型三端口双向DC/DC变换器，其特征在于：它是由一个电流型全桥单元、第一电压型全桥单元和第二电压型全桥单元通过三绕组变压器耦合而成；
在所述的电流型全桥单元中，包括直流输入源Upv、第一输入电容Cin1、第一输入电感Lin1、第一至第四开关管S1-S4、第一至第四二极管D1-D4以及高频电容C1；直流输入源Upv的正极分别与第一输入电容Cin1的第一端以及第一输入电感Lin1的第一端相连，直流输入源Upv的负极与第一输入电容Cin1的第二端相连；第一开关管S1的源极与第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极与第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的源极与第二二极管D2的阳极相连，由此构成第一桥臂，耦合点a为第一桥臂中点；高频电容C1的第一端连接耦合点a；第三开关管S3的源极与第三二极管D3的阳极相连，第三二极管D3的阴极与第四开关管S4的漏极相连，第四开关管S4的源极与第四二极管D4的阳极相连，由此构成第二桥臂，耦合点b为第二桥臂中点；高频电容C1的第二端连接耦合点b；第一输入电感Lin1的第二端连接第一桥臂中第一开关管S1的漏极以及第二桥臂中第三开关管S3的漏极；第一输入电容Cin1的第二端分别与第一桥臂中第二二极管D2的阴极以及第二桥臂中第四二极管D4的阴极相连；第一桥臂中点a、第二桥臂中点b分别与耦合变压器的绕组N1两端连接；
在所述的第一电压型全桥单元中，包括直流输入源Ubat、第二输入电容Cin2以及第五至第八开关管S5-S8；第五开关管S5的源极与第六开关管S6的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点c为第一桥臂中点；第七开关管S7的源极与第八开关管S8的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点d为第二桥臂中点；第二输入电容Cin2的第一端连接直流输入源Ubat的正极、第一桥臂中第五开关管S5的漏极以及第二桥臂中第七开关管S7的漏极；第二输入电容Cin2的第二端分别与直流输入源Ubat的负极、第一桥臂中第六开关管S6的源极以及第二桥臂中第八开关管S8的源极相连；第一桥臂中点c、第二桥臂中点d分别与耦合变压器的绕组N2两端连接；
在所述的第二电压型全桥单元中，还包括第九至第十二开关管S9-S12、输出电容Co以及负载RL；第九开关管S9的源极与第十开关管S10的漏极相连，构成第一桥臂，耦合点e为第一桥臂中点；第十一开关管S11的源极与第十二开关管S12的漏极相连，构成第二桥臂，耦合点f为第二桥臂中点；输出电容Co的第一端连接负载RL的第一端、第一桥臂中第九开关管S9的漏极以及第二桥臂中第十一开关管S11的漏极；输出电容Co的第二端分别与负载RL的第二端、第一桥臂中第十开关管S10的源极以及第二桥臂中第十二开关管S12的源极相连；第一桥臂中点e、第二桥臂中点f分别与耦合变压器的绕组N3两端连接。
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