CN106936319B - 一种隔离型三端口双向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，包括超级电容、蓄电池、直流母线端口、一个三端口串联谐振直流变换器和一个三相交错并联直流变换器，超级电容的端口通过三相交错并联直流变换器接入，且与蓄电池端口一并通过三端口串联谐振直流变换器与直流母线端口相连，三相交错并联直流变换器用于稳压，三端口串联谐振直流变换器用于控制超级电容端口、蓄电池端口以及直流母线端口间的功率流动；三端口串联谐振直流变换器包括一个三绕组变压器、三个全桥电路和两个LC串联谐振腔，两个LC串联谐振腔分别由第一滤波电感、第一滤波电容串联和第二滤波电感、第二滤波电容串联构成。本发明实现软开关工作的范围进而提高该变换器的效率和系统输出功率。

Description

一种隔离型三端口双向DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及直流微电网技术领域，具体为一种隔离型三端口双向DC-DC变换器。
背景技术
随着光伏、风能及燃料电池等新能源技术的发展，直流微电网领域成为了近些年研究的热点。但太阳能和风能由于受环境的影响较大，出力不稳定也不连续，故在新能源发电系统中往往加入储能系统来提高其供电质量。一般来说，直流发电单元和储能单元的电压等级比较低，需要使用多个直流变换器升压后才能连接到共同的直流母线上。这将导致多直流变换器系统结构复杂、成本较高、功率密度低，并且多个变换器之间还需要进行协调控制。而采用一个含有多个端口的直流变换器来取代多个独立的DC/DC变换器，不仅避免了使用较多的功率开关器件，降低了功率损耗，还有利于系统向小型化发展，大大降低了系统的成本，提高了系统的效率等。
根据隔离方式的不同，三端口双向直流变换器包括非隔离型、部分隔离型以及完全隔离型三类。非隔离型变换器不使用隔离变压器，效率较高，但仅适用于各端口间电压彼此相近的场合，且安全系数较低。部分隔离型变换器中三端口没有完全耦合在一起，可较为方便地实现端口的扩展，但该拓扑可能发生变压器绕组电压不匹配及轻载时效率偏低的问题。完全隔离型变换器实现了各端口间的彼此电气隔离，端口适用性较好，且开关功率器件易实现软开关。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种集成混合储能系统的隔离型三端口双向直流变换器，并通过拓宽该变换器开关功率器件实现软开关工作的范围进而提高该变换器的效率和系统输出功率。
本发明的目的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，包括超级电容、蓄电池、直流母线端口、一个三端口串联谐振直流变换器和一个三相交错并联直流变换器，所述超级电容的端口通过所述三相交错并联直流变换器接入，且与所述蓄电池端口一并通过三端口串联谐振直流变换器与所述直流母线端口相连，所述三相交错并联直流变换器用于稳压，所述三端口串联谐振直流变换器用于控制超级电容端口、蓄电池端口以及直流母线端口间的功率流动；
所述三端口串联谐振直流变换器包括一个三绕组变压器、三个全桥电路和两个LC串联谐振腔，两个所述LC串联谐振腔分别由第一滤波电感、第一滤波电容串联和第二滤波电感、第二滤波电容串联构成；所述三绕组变压器用于提供电气隔离。
三相交错并联直流变换器的单桥臂结构是一个双向升降压变换器，所述超级电容与三相交错并联直流变换器的低压侧相连，所述三端口串联谐振直流变换器与三相交错并联直流变换器的高压侧相连；当功率从超级电容侧流向直流母线端口侧时，三相交错并联直流变换器工作在升压模式；相反地，当功率从直流母线端口侧流向超级电容侧时，三相交错并联直流变换器工作在降压模式。
所述超级电容的端口和直流母线端口间的电压增益为1。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)含三绕组变压器的三端口直流变换器拓扑减少了功率开关管的数量，提高了功率密度。
(2)蓄电池端口和直流母线端口、以及超级电容端口和直流母线端口之间的功率流动是双向的。
(3)在超级电容端口增加三相交错并联直流变换器是为了稳定超级电容端口电压恒定，并保证超级电容端口和直流母线端口间的电压增益为1。
(4)三相交错并联直流变换器能减小电流纹波、提高功率水平和减小变换器的电流应力。
(5)本发明DC-DC变换器采用了集中控制，实现了全部开关管的零电压开通(ZVS)，且具有电压增益高、功率密度大、效率高等特点，适用范围较广。
附图说明
图1是本发明DC-DC变换器的结构示意图；
图2(a)是三端口串联谐振直流变换器的结构图，图2(b)是其相应的工作模态图；
图3是三相交错并联直流变换器的工作模态图；
图4是升压模式下三相交错并联直流变换器的单相结构电路图；
图5(a)为本发明DC-DC变换器中三端口串联谐振直流变换器的仿真波形图，5(b)为本发明DC-DC变换器中三相交错并联直流变换器的仿真波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的描述：
图1中，本发明所涉及的隔离型三端口双向DC-DC变换器，该变换器应用于包含混合储能系统的直流微电网中，包括超级电容、蓄电池、直流母线端口、一个三端口串联谐振直流变换器和一个三相交错并联直流变换器。三相交错并联直流变换器的作用是将波动范围较宽的超级电容电压稳定在一个恒定值，而三端口串联谐振直流变换器则用来控制超级电容端口、蓄电池端口以及直流母线端口间的功率流动。
三端口串联谐振直流变换器包括一个三绕组变压器、三个全桥电路以及两个分别由第一滤波电感Lr1、第一滤波电容Cr1串联和第二滤波电感Lr2、第二滤波电容Cr2串联构成的LC串联谐振腔。三绕组变压器用来提供电气隔离，增强系统安全性。直流变换器的开关频率固定，且大于串联LC串联谐振腔的谐振频率，故该变换器只能工作在连续导电模式下。由于超级电容端口电压波动范围较大，且该变换器只能在当三个端口间电压增益等于1时具有最优的工作特性，比如最大的开关管ZVS运行区域、较小的电流和电压应力等，故在超级电容端口处额外增加一个三相交错并联直流变换器以实现超级电容端口输入到全桥电路的电压恒定。而蓄电池相对超级电容的电压波动较小，故不需要在蓄电池端口处增加三相交错并联直流变换器。
三相交错并联直流变换器的每个单相桥臂结构是一个双向升降压变换器，为了实现高功率密度和减小升降压电路电感体积，该变换器工作在断续导电模式下。同时，为了减小断续模式下较大的电流纹波，故采用了三相交错并联结构。超级电容连接到变换器的低压侧，而串联谐振直流变换器连接到该变换器的高压侧。当功率从超级电容侧流向直流母线侧时，三相交错并联直流变换器工作在升压模式；相反地，当功率从直流母线侧流向超级电容侧时，三相交错并联直流变换器工作在降压模式。
图2(a)为三端口串联谐振直流变换器的结构图，图2(b)为其相应的其工作模态图，为方便叙述本发明的运行原理，在此只考虑当超级电容和蓄电池同时向直流母线端口供电这一情形。其中，移相角
Figure BDA0001251712760000031
和
Figure BDA0001251712760000032
分别为超级电容端口和直流母线端口间、以及蓄电池端口和直流母线端口间的移相角；i1、i2及i3分别为三个LC串联谐振腔的谐振电流，iP1、iP2及iP3分别为三个端口的电流。根据图2(b)所示，该变换器一个开关周期内共有18个工作模态。
模态1[t0-t1]，t0时刻，开关管S10和S11关断。直流母线端口电流i3流过与开关管S9和S12反并联连接的二极管，同时，超级电容端口电流i1流经开关管S1和S4，蓄电池端口电流i2流经开关管S5和S8。
模态2[t1-t2]，t1时刻，开关管S9和S12导通。因为分别与开关管S9和S12反并联连接的二极管优先于开关管导通，因此，开关管S9和S12实现了零电压(ZVS)导通。此外，其余两端口运行特性保持不变。
模态3[t2-t3]，t2时刻，蓄电池端口电流i2上升到0。直流母线端口电流i3流过开关管S9和S12，其余两端口运行特性保持不变。
模态4[t3-t4]，t3时刻，开关管S1和S4关断。超级电容端口电流i1流过与开关管S2和S3反并联连接的二极管，其余两端口运行特性保持不变。
模态5[t4-t5]，t4时刻，开关管S2和S3导通。因为分别与开关管S2和S3反并联连接的二极管优先于开关管导通，因此，开关管S2和S3实现了零电压(ZVS)导通。此时，其余两端口运行特性保持不变。
模态6[t5-t6]，t5时刻，开关管S5和S8关断。蓄电池端口电流i2流过与开关管S6和S7反并联连接的二极管，其余两端口运行特性保持不变。
模态7[t6-t7]，t6时刻，超级电容端口电流i1下降到0。其余两端口运行特性保持不变。
模态8[t7-t8]，t7时刻，开关管S6和S7导通。因为分别与开关管S6和S7反并联连接的二极管优先于开关管导通，因此，开关管S6和S7实现了ZVS导通。此外，其余两端口运行特性保持不变。
模态9[t8-t9]，t8时刻，直流母线端口电流i3下降到0。其余两端口运行特性保持不变。
至此，模态1-模态9为一个开关周期的正半周期，而模态10-模态18为一个开关周期的负半周期，其各模态运行特性可由正半周期的相应各模态对比分析可得，此处不再赘述。
图3为三相交错并联直流变换器的工作模态图，由于采用完全相同的三相升降压结构，为方便叙述本发明的运行原理，在此只考虑单相运行升压模式的情形，图4为升压模式下单相结构电路图。其中，VSC为超级电容电压，Vdc-link为dc-link电压，iL和VL分别为电感电流和电感电压，imax和imin分别为iL的最大值和最小值，iSC为超级电容输出电流，tdb为死区时间，tD和tU分别为开关管QU和QD的导通时间。根据图3所示，该变换器一个开关周期内共有4个工作模态。
模态1[t0-t1]，t0时刻，开关管QU和QD关断。电感电流iL流过与开关管QD反并联连接的二极管，且电感电流iL线性增长。
模态2[t1-t2]，t1时刻，开关管QD导通，QU保持关断。电感电流iL开始流过开关管QD，开关管QD实现了ZVS导通。
模态3[t2-t3]，t2时刻，开关管QU和QD关断。电感电流iL流过与开关管QU反并联连接的二极管，且电感电流iL线性减小。
模态4[t3-t4]，t3时刻，开关管QU导通，QD保持关断。电感电流iL开始流过开关管QU，开关管QU实现了ZVS导通。
由以上分析可知，为了保证开关管QU和QD的ZVS导通，电感电流iL必须同时满足以下条件：imax>0，且imin<0。
图5(a)和图5(b)为本发明隔离型三端口双向DC-DC变换器的仿真波形图，其中，图5(a)为三端口串联谐振直流变换器的仿真波形，图中分别示出了三个全桥各桥臂上部开关管的电流波形。由图可以看出，各开关管电流波形均有一段先流经与各开关管反并联连接的二极管，然后再流经本开关管，即验证了各开关管的ZVS导通。图5(b)为三相交错并联直流变换器的仿真波形，图中分别示出了流经三相升降压电路的电感电流及三相各桥臂上部开关管的电流波形。由图可以看出，三相电感电流实现了完全均流且各桥臂开关管均实现了ZVS导通。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种隔离型三端口双向DC-DC变换器，其特征在于，包括超级电容、蓄电池、直流母线端口、一个三端口串联谐振直流变换器和一个三相交错并联直流变换器，所述超级电容的端口通过所述三相交错并联直流变换器接入，且与所述蓄电池端口一并通过三端口串联谐振直流变换器与所述直流母线端口相连，所述三相交错并联直流变换器用于稳压，所述三端口串联谐振直流变换器用于控制超级电容端口、蓄电池端口以及直流母线端口间的功率流动；
所述三端口串联谐振直流变换器包括一个三绕组变压器、三个全桥电路和两个LC串联谐振腔，两个所述LC串联谐振腔分别由第一滤波电感、第一滤波电容串联和第二滤波电感、第二滤波电容串联构成；所述三绕组变压器用于提供电气隔离。
2.根据权利要求1所述一种隔离型三端口双向DC-DC变换器，其特征在于，三相交错并联直流变换器的单桥臂结构是一个双向升降压变换器，所述超级电容与三相交错并联直流变换器的低压侧相连，所述三端口串联谐振直流变换器与三相交错并联直流变换器的高压侧相连；当功率从超级电容侧流向直流母线端口侧时，三相交错并联直流变换器工作在升压模式；相反地，当功率从直流母线端口侧流向超级电容侧时，三相交错并联直流变换器工作在降压模式。
3.根据权利要求1所述一种隔离型三端口双向DC-DC变换器，其特征在于，所述超级电容的端口和直流母线端口间的电压增益为1。
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