CN104682756A

CN104682756A - 一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法

Info

Publication number: CN104682756A
Application number: CN201510119089.8A
Authority: CN
Inventors: 袁敞; 刘昌�; 徐永海; 李善颖; 吴涛; 贺惠民; 丛诗学
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; North China Electric Power University
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; North China Electric Power Research Institute Co Ltd; North China Electric Power University
Priority date: 2015-03-18
Filing date: 2015-03-18
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2035-03-18
Also published as: CN104682756B

Abstract

本发明公开了属于电力变换技术领域的一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法。电流可逆电路在电池内阻固定的前提下，通过设定控制回路中占空比d的限幅值获得输出电压U_o的最大值，拓宽输出电压U_o的范围，实现输出电压U_o的调节范围最大。其被广泛应用于储能电池充放电领域，尤其应用于风电、光伏发电等新能源发电领域以及电动汽车领域，在实现电池与电网之间交互中发挥着重要的作用。

Description

一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法

技术领域

本发明属于电力变换技术领域，尤其是涉及一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法。

背景技术

电流可逆电路被广泛应用在储能电池充放电领域，尤其应用于风电、光伏发电等新能源发电领域以及电动汽车领域，在实现电池与电网交互中发挥着重要的作用。电流可逆电路是降压电路(Buck)和升压电路(Boost)的组合，通过控制开关器件的导通和关断来实现功率的双向流动。而在现有技术中，电流可逆电路仅仅被考虑了其降压和升压功能，但实际在运行过程中储能电池不可能是理想电源，电池内阻(R_i、R_out)是不可忽视的因素，在不考虑电池内阻情况下，其输出电压仅与占空比d相关。因此，在不考虑储能电池内阻的情况下仅通过调节占空比d控制电流可逆电路的方法存在着很大的误差。本发明涉及一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法，考虑了非理想电源中电池内阻的问题，研究了电池内阻对输出电压产生的影响，并在此基础上通过控制电流可逆电路占空比d，实现了输出电压范围的最大拓宽。

发明内容

本发明的目的在于提出了一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法，其特征在于，包括：

1)采用电流可逆电路实现功率双向流动和电压升降压变换，所述电流可逆电路工作在降压状态下时，IGBT T₂保持关断，IGBT T₁工作，功率正向流动；该工作状态下的电流可逆电路由两个分别接有反并联二极管的IGBT串联后再与电容C并联，其中，IGBT T₂的集电极、发射极分别与直流电源U_out的正、负极连接，并在IGBT T₂集电极与直流电源U_out正极之间串联电阻R_out、电感L，IGBT T₁的集电极、IGBT T₂的发射极分别与另一直流电源U_i的正、负极连接，并在IGBT T₁集电极与直流电源U_i正极之间串联电阻R_i；

所述电流可逆电路工作在升压状态下时，IGBT T₁保持关断，IGBT T₂工作，功率逆向流动；该工作状态下的电流可逆电路由两个分别接有反并联二极管的IGBT串联后再与电容C并联，其中，IGBT T₂的集电极、发射极分别与直流电源U_i的正、负极连接，并在IGBT T₂集电极与直流电源U_i正极之间串联电阻R_i、电感L，IGBT T₁的集电极、IGBT T₂的发射极分别与另一直流电源U_out的正、负极连接，并在IGBT T₁集电极与直流电源U_out正极之间串联电阻R_out；

当电路工作在降压(Buck)状态时，IGBT T₂保持关断，IGBT T₁工作，功率正向流动，电压源U_i发出功率，电压源U_out吸收功率，根据能量守恒可得：

U_iI_Lt_on＝I_L ²R_it_on+I_L ²R_outT+U_outI_LT (1)

由(1)得

I_{L} = \frac{{dU}_{i} - U_{out}}{d R_{i} + R_{out}} - - - (2)

其中占空比

U_o＝U_out+I_LR_out (3)

将I_L代入(3)得

U_{o} = U_{out} + \frac{d U_{i} - U_{out}}{d R_{i} + R_{out}} R_{out} - - - (4)

由(4)看出固定R_i、R_out，输出电压U_o的调节范围与占空比d相关，当d＝1时，控制回路限幅函数上限值设定为10，此时输出电压U_o达到最大调节范围为

U_{out} ~ U_{out} + \frac{U_{i} - U_{out}}{R_{i} + R_{out}} R_{out};

当电路工作在升压(Boost)状态时，IGBT T₁保持关断，IGBT T₂工作，功率逆向流动，电压源U_i发出功率，电压源U_out吸收功率，根据能量守恒可得：

U_{i} I_{L} = {I_{L}}^{2} R_{i} + \frac{{(U_{i} - U_{O})}^{2}}{R_{out}} + \frac{(U_{O} - U_{out}) U_{out}}{R_{out}} - - - (5)

U_{o} = \frac{U_{i} - I_{L} R_{i}}{1 - d} - - - (6)

联立(5)、(6)得

U_{o} = - \frac{- U_{i} R_{out} + U_{i} R_{out} d - U_{out} R_{i}}{R_{out} - 2 d R_{out} + d^{2} R_{out} + R_{i}} - - - (7)

由(7)看出固定R_i、R_out，输出电压U_o调节范围为

U_{out} ~ - \frac{{- U}_{i} R_{out} + {U_{i} R}_{out} d - U_{out} R_{i}}{R_{out} - 2 d R_{out} + d^{2} R_{out} + R_{i}}

与占空比d相关；

2)通过控制电流可逆电路中的IGBT T₁、IGBT T₂的开通与关断实现该电路在降压和升压工作状态的转换；无论是工作在降压状态还是升压状态，电路输出电压将受到阻抗R_i、R_out、占空比d的影响，通过改变控制回路中占空比d的限幅值，有效拓宽输出电压U_o的范围，实现输出电压U_o的调节范围最大。

所述限幅值的选取是采用的理论计算方法得到；由能量守恒关系式得到输出电压U_o的表达式，根据输出电压U_o关于占空比d的函数关系得到其最大值所对应的d值，由此确定其控制回路中的限幅值。

所述控制回路由电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差模块、PI控制器、限幅函数和PWM生成器串联构成；其输出为电流可逆电路提供触发信号，控制两个IGBT的导通与关断，从而控制电路的运行模式；具体是采用对输出电压U_o的电压闭环控制，电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差后经PI控制器与限幅函数(Limitation Function)输出，输出波形与三角波经PWM生成器得到IGBT的开关信号，从而控制IGBT的导通与关断。

本发明的有益效果在于，电流可逆电路在电池内阻固定的前提下，通过设定控制回路中占空比d的限幅值获得输出电压U_o的最大值，拓宽输出电压U_o的范围，实现输出电压U_o的调节范围最大；提出了一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法，在给定电阻前提下，通过控制占空比d的限幅值，有效拓宽输出电压U_o的范围，实现其调节范围最大。

附图说明

图1为电流可逆电路工作在降压(Buck)状态下的原理图；

图2为电流可逆电路工作在升压(Boost)状态下的原理图；

图3为电流可逆电路工作在升压(Boost)状态下理论计算U_o-d图像；

图4为电流可逆电路控制回路示意图

具体实施方式

本发明提出一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法，其特征在于，电流可逆电路在电池内阻固定的前提下，通过设定控制回路中占空比d的限幅值获得输出电压U_o的最大值，拓宽输出电压U_o的范围，实现输出电压U_o的调节范围最大。下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图1所示为电流可逆电路工作在降压(Buck)状态下的原理图，当电路工作在降压(Buck)状态时，IGBT T₂保持关断，IGBT T₁工作，功率正向流动，电压源U_i发出功率，电压源U_out吸收功率。根据能量守恒可得：

U_iI_Lt_on＝I_L ²R_it_on+I_L ²R_outT+U_outI_LT (1)

由(1)得

I_{L} = \frac{{dU}_{i} - U_{out}}{d R_{i} + R_{out}} - - - (2)

其中占空比

U_o＝U_out+I_LR_out (3)

将I_L代入(3)得

U_{o} = U_{out} + \frac{d U_{i} - U_{out}}{d R_{i} + R_{out}} R_{out} - - - (4)

U_{out} ~ U_{out} + \frac{U_{i} - U_{out}}{R_{i} + R_{out}} R_{out} .

图2所示为电流可逆电路工作在升压(Boost)状态下的原理图，当电路工作在升压(Boost)状态时，IGBT T₁保持关断，IGBT T₂工作，功率逆向流动，电压源U_i发出功率，电压源U_out吸收功率。根据能量守恒可得：

U_{i} I_{L} = {I_{L}}^{2} R_{i} + \frac{{(U_{i} - U_{O})}^{2}}{R_{out}} + \frac{(U_{O} - U_{out}) U_{out}}{R_{out}} - - - (5)

U_{o} = \frac{U_{i} - I_{L} R_{i}}{1 - d} - - - (6)

联立(5)、(6)得

U_{o} = - \frac{- U_{i} R_{out} + U_{i} R_{out} d - U_{out} R_{i}}{R_{out} - 2 d R_{out} + d^{2} R_{out} + R_{i}} - - - (7)

由(7)看出固定R_i、R_out，输出电压U_o调节范围为

U_{out} ~ - \frac{{- U}_{i} R_{out} + {U_{i} R}_{out} d - U_{out} R_{i}}{R_{out} - 2 d R_{out} + d^{2} R_{out} + R_{i}}

与占空比d相关。

图3所示为电流可逆电路工作在升压(Boost)状态下理论计算U_o-d图像，R_i＝1Ω，R_out＝100Ω，U_i＝80V，U_out＝200V，代入(7)得图3曲线A所示，d＝0.921时，控制回路限幅函数上限值设定为8.42，U_o最大值为512V，此时电压达到最大调节范围为200V～512V；

R_i＝1Ω，R_out＝50Ω，，U_i＝80V，U_out＝200V，代入(7)得图3曲线B所示，d＝0.9时，控制回路限幅函数上限值设定为8，U_o最大值为400V，此时电压达到最大调节范围为200V～400V。

图4所示为电流可逆电路控制回路示意图，该控制回路由电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差模块、PI控制器、限幅函数和PWM生成器串联构成；其输出为电流可逆电路提供触发信号，控制两个IGBT的导通与关断，从而控制电路的运行模式；具体是采用对输出电压U_o的电压闭环控制，电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差后经PI控制器与限幅函数输出，输出波形与三角波经PWM生成器得到IGBT的开关信号，从而控制IGBT的导通与关断。由上述例子看出，当电阻R_i、R_out给定，根据理论计算合理选取图4所示的控制回路中占空比d的限幅值，能够有效拓宽输出电压U_o的范围，实现其调节范围最大。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权力要求的保护范围为准。

Claims

1.一种拓宽输出电压范围的电流可逆电路控制方法，其特征在于，包括：1)采用电流可逆电路实现功率双向流动和电压升降压变换，所述电流可逆电路工作在降压状态下时，IGBT T₂保持关断，IGBT T₁工作，功率正向流动；该工作状态下的电流可逆电路由两个分别接有反并联二极管的IGBT串联后再与电容C并联，其中，IGBT T₂的集电极、发射极分别与直流电源U_out的正、负极连接，并在IGBT T₂集电极与直流电源U_out正极之间串联电阻R_out、电感L，IGBTT₁的集电极、IGBT T₂的发射极分别与另一直流电源U_i的正、负极连接，并在IGBT T₁集电极与直流电源U_i正极之间串联电阻R_i；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述限幅值的选取是采用的理论计算方法得到；由能量守恒关系式得到输出电压U_o的表达式，根据输出电压U_o关于占空比d的函数关系得到其最大值所对应的d值，由此确定其控制回路中的限幅值。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述输出电压U_o的表达式在电流可逆电路工作在降压状态下时为在电流可逆电路工作在升压状态下时为

U_{o} = - \frac{- U_{i} R_{out} + U_{i} R_{out} d - U_{out} R_{i}}{R_{out} - 2 d R_{out} + d^{2} R_{out} + R_{i}} .

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制回路由电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差模块、PI控制器、限幅函数和PWM生成器串联构成；其输出为电流可逆电路提供触发信号，控制两IGBT的导通与关断，从而控制电路的运行模式；具体是采用对输出电压U_o的电压闭环控制，电压参考值U_ref与反馈输出电压U_o作差后经PI控制器与限幅函数输出，输出波形与三角波经PWM生成器得到IGBT的开关信号，从而控制IGBT的导通与关断。