CN107395010A - 用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，所述直流变换器在升压运行时通过开关电容并联充电、串联放电获得高电压增益；所述直流变换器在降压运行时通过开关电容串联充电、并联放电获得高降压比；所述双向直流变换器所有功率开关的电压应力均为高压侧电压的一半，且电容电压、电感电流自动平衡；所述双向直流变换器利用交错并联技术减小了低压侧的电流纹波，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管。该双向直流变换器输入电流纹波小、功率器件电压电流应力低、电压增益高。

Description

用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器

技术领域

本发明涉及储能系统双向直流变换器应用领域，尤其涉及一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器。

背景技术

随着全球能源危机的加剧和环境污染的恶化，新能源的开发和应用已成为各国的研究热点。作为新能源接入及电动汽车发展必不可少的支撑环节，储能系统及其相关技术的研究受到了越来越多的关注和重视。新能源发电系统，如光伏发电等，不能输出稳定的电能，且在负载功率突然增大时不能输出足够大的瞬时功率。储能系统，起着补偿发电侧和用电侧的功率波动的功能，在新能源发电系统中扮演着重要角色。双向直流变换器具有能量双向流动特性，是储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间的关键接口，其双向运行的优点使得其在储能系统双向能量流动应用场合得到广泛应用。它可以大幅度减轻系统的重量、减小系统的体积和成本，有着重要的研究价值。储能系统中，由于蓄电池和超级电容等储能设备输出特性软、电压等级低等缺陷，并且在其快速充放电过程中端电压变化范围较大，难以直接与高压汇流母线匹配并联。因此，必须通过大比例升降压双向直流变换器接口低压储能设备与高压汇流母线。

传统的双向直流变换器低压侧电流纹波大，功率器件电压电流应力高，且宽增益时运行在极端占空比，加之变压环节中变压器与耦合电感的漏感和电磁干扰易导致功率器件过高的电压应力。这些都制约该类双向直流变换器在储能系统中的应用。因此，需要研究新的电流纹波小、功率器件电压电流应力低、宽增益且避免极端占空比的双向直流变换器，使其适用于储能系统。

发明内容

本发明提供了一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，该双向直流变换器输入电流纹波小、功率器件电压电流应力低、电压增益高，详见下文描述：

一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，所述直流变换器在升压运行时通过开关电容并联充电、串联放电获得高电压增益；

所述直流变换器在降压运行时通过开关电容串联充电、并联放电获得高降压比；

所述双向直流变换器所有功率开关的电压应力均为高压侧电压的一半，且电容电压、电感电流自动平衡；

所述双向直流变换器利用交错并联技术减小了低压侧的电流纹波，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管。

所述高电压增益为：

其中，U_high为高压侧端口电压；U_low为低压侧端口电压；d_Boost为Boost模式时功率开关Q₁、Q₂的占空比。

所述高降压比为：

其中，U_high为高压侧端口电压；U_low为低压侧端口电压；d_Buck为Buck模式时功率开关Q₃、Q₄的占空比。

所述开关电容并联充电、串联放电具体为：

当S₁S₂＝00时，电容C₁、C₂并联充电；当S₁S₂＝01时，电容C₂、C₃并联充电；当S₁S₂＝10时，电容C₂、C₃串联放电；

其中，S₁、S₂分别为功率开关Q₁、Q₂的开关信号。

所述开关电容串联充电、并联放电具体为：

当S₃S₄＝10时，电容C₂、C₃串联充电；当S₃S₄＝00时，电容C₁、C₂串联充电；当S₃S₄＝01时，电容C₂、C₃并联放电；

其中，S₃、S₄分别为功率开关Q₃、Q₄的开关信号。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

1、该双向直流变换器利用开关电容技术进行升降压，实现了大比例升降压的同时避免了因增大增益而造成功率开关极端占空比运行的问题；

2、该双向直流变换器所有功率开关的电压应力均为高压侧电压的一半；

3、该双向直流变换器利用交错并联技术减小了低压侧的电流纹波，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管；

4、本发明提高双向变换器的运行可靠性的同时，通过同步整流提高了能量转换效率，适合作为储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间的直流变换器。

附图说明

图1为交错并联开关电容型双向直流变换器的结构示意图；

图2为交错并联开关电容型Boost直流变换器运行原理图；

其中，(a)为0<d_Boost<0.5；(b)为0.5≤d_Boost<1。

图3为交错并联开关电容型Boost直流变换器运行驱动信号与死区的示意图；

图4为交错并联开关电容型Buck直流变换器运行原理图；

其中，(a)为0<d_Buck<0.5；(b)为0.5≤d_Buck<1。

图5为交错并联开关电容型Buck直流变换器运行驱动信号与死区的示意图。

附图中，各部件的列表如下所示：

U_high为高压侧端口电压(Buck模式时的输入电压、Boost模式时的输出电压)；

U_low为低压侧端口电压(Buck模式时的输出电压、Boost模式时的输入电压)；

i_high为高压侧电流(Buck模式时的输入电流、Boost模式时的输出电流)；

i_low为低压侧电流(Buck模式时的输出电流、Boost模式时的输入电流)；

L₁、L₂分别为储能、滤波电感；

C_low为滤波电容；

C₁、C₂、C₃分别为开关电容；

t_d为死区时间；

i_L1、i_L2为电感电流；

Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅分别为变换器的功率开关；

S₁、S₂、S₃、S₄、S₅分别为功率开关Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅的开关信号；

u_Q1、u_Q2、u_Q3、u_Q4、u_Q5分别为功率开关Q₁、Q₂、Q₃、Q₄、Q₅的电压应力；

U_C1、U_C2、U_C3分别为电容C₁、C₂、C₃的电压；

d_Boost为Boost模式时功率开关Q₁、Q₂的占空比；

d_Buck为Buck模式时功率开关Q₃、Q₄的占空比。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

针对背景技术中传统双向直流变换器存在的缺点，以及储能系统对直流变换器的性能要求，本发明实施例提出一种交错并联开关电容型双向直流变换器。该变换器同时具有交错并联技术和开关电容技术的优点：输入电流纹波小、功率器件电压电流应力低、电压增益高。变换器中所有电容电压均为高压侧电压的一半，且电容电压、电感电流自动平衡。此外，拓扑中的功率器件全部采用低通态电阻的可控功率管提高变换器效率，使其适用于储能系统应用场合。

实施例1

一、拓扑结构

本发明实施例提出如图1所示的交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，升压运行时通过开关电容并联充电、串联放电获得高电压增益，降压运行时通过开关电容串联充电、并联放电获得高降压比。

图2、图3为交错并联开关电容型双向直流变换器Boost模式运行原理图、运行驱动信号与死区。图4、图5为交错并联开关电容型双向直流变换器Buck模式运行原理图、运行驱动信号与死区。

二、宽电压增益

1、Boost模式

该交错并联开关电容型双向直流变换器运行在升压(Boost)状态，当S₁S₂＝01时电容C₁、C₃并联，电容电压U_C1＝U_C3。图2为Boost模式下的PWM调制策略，开关信号S₁、S₂相位相差180°，即功率开关Q₁、Q₂交错并联调制，减小输入电流纹波。

当0<d_Boost<0.5时，PWM调制策略如图2(a)所示，由电感L₁、L₂伏秒平衡可得

由图1可得U_C2+U_C3＝U_high，推导可得：

由电容C₁、C₂、C₃安秒平衡可得：

式中I_low，I_L1，I_L2分别为变换器Boost模式时输入电流i_low、电感电流i_L1和i_L2的平均值。

上述理论推导可得，本发明实施例提出的直流变换器升压比是传统两相交错并联Boost直流变换器的2倍，为2/(1-d_Boost)，电容C₁，C₂和C₃电压皆为输出电压一半，电感电流i_L1和i_L2都是输入电流的一半，即通过开关电容技术实现了Boost模式时电容电压和电感电流自动平衡。同理可以推得0.5≤d_Boost<1时各个元件电压电流关系，与0<d_Boost<0.5时的情况相同。

2、Buck模式

交错并联开关电容型双向直流变换器运行在降压(Buck)状态，当S₃S₄＝01时电容C₁、C₃并联，电容电压U_C1＝U_C3。图4为Buck模式下的PWM调制策略，开关信号S₃、S₄相位相差180°，即功率开关Q₃、Q₄交错并联调制，减小输出电流纹波。

当0<d_Buck<0.5时，PWM调制策略如图4(a)所示，由电感L₁、L₂伏秒平衡可得：

由图1可得U_C2+U_C3＝U_high，推导可得：

由电容C₁、C₂、C₃安秒平衡可得：

式中，I_low，I_L1，I_L2分别为变换器Buck模式时输出电流i_low、电感电流i_L1和i_L2的平均值。

上述理论推导可得，本发明实施例提出的直流变换器降压比是传统两相交错并联Boost直流变换器的0.5倍，为d_Buck/2，电容C₁，C₂和C₃电压皆为输出电压一半，电感电流i_L1和i_L2都是输入电流的一半，即通过开关电容技术实现了Buck模式时电容电压和电感电流自动均衡。同理可以推得0.5≤d_Buck<1时各个元件电压电流关系，与0<d_Buck<0.5时的情况相同。

通过上述分析可得，本发明实施例提出的交错并联开关电容型双向直流变换器应用于储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间时，当工作在升压(Boost)状态时满足对大比例升压的需求；当工作在降压(Buck)状态满足对大比例降压的需求；从而解决储能系统中低压储能设备与高压汇流母线间电压等级不同的接口问题。

实施例2

下面以图1的交错并联开关电容型双向直流变换器和图2、图4所示的调制策略，对本发明的原理及最佳实施方式进行说明。在每个载波周期，变换器共经历三个开关状态，下面分别对变换器降压(Buck)、升压(Boost)模式进行说明。

1、升压(Boost)模式

交错并联开关电容型双向直流变换器运行在Boost模式时，分为0<d_Boost<0.5和0.5≤d_Boost<1两种情况，如图2(a)和图2(b)所示。下面以0<d_Boost<0.5为例进行说明。

1)当S₁S₂＝10时，功率开关Q₁、Q₃导通，功率开关Q₂、Q₄、Q₅关断。U_low通过功率开关Q₁给电感L₁充电；同时，电感L₂与U_low通过功率开关Q₃串联给电容C₁充电，电感L₂放电。电容C₂和C₃串联放电并为负载能量。

2)当S₁S₂＝00时，功率开关Q₃、Q₄导通，功率开关Q₁、Q₂、Q₅关断。电感L₁、L₂放电，电感L₁与U_low串联给电容C₂充电，电感L₂与U_low串联给电容C₁充电。电容C₃放电，负载能量由U_low、电感L₁和电容C₃提供。

3)当S₁S₂＝01时，功率开关Q₂、Q₄、Q₅导通，功率开关Q₁、Q₃关断。电感L₁放电，同时与U_low串联给电容C₂充电；U_low通过功率开关Q₂给电感L₂充电。电容C₁放电，并同时给电容C₃充电，负载能量由U_low、电感L₁和电容C₁提供。

上述三种开关状态中，当S₁S₂＝00时，电容C₁、C₂并联充电；当S₁S₂＝01时，电容C₂、C₃并联充电；当S₁S₂＝10时，电容C₂、C₃串联放电。因此，能量按上述方式传递，通过开关电容并联充电、串联放电获得大比例升压。

2、降压(Buck)模式

交错并联开关电容型双向直流变换器运行在Buck模式时，分为0<d_Buck<0.5和0.5≤d_Buck<1两种情况，如图4(a)和图4(b)所示。下面以0<d_Buck<0.5为例进行说明。

1)当S₃S₄＝10时，功率开关Q₁、Q₃导通，功率开关Q₂、Q₄、Q₅关断。电容C₁放电，并通过电感L₂向负载供电，电感L₂充电；电感L₁放电并通过功率开关Q₁向负载供电。U_high给电容C₂和C₃充电。

2)当S₃S₄＝00时，功率开关Q₁、Q₂、Q₅导通，功率开关Q₃、Q₄关断。电感L₁、L₂分别通过功率开关Q₁、Q₂续流并给负载侧供电，i_L1、i_L2线性减小。U_high给电容C₂充电，电容C₃放电，电容C₁充电。

3)当S₃S₄＝01时，功率开关Q₂、Q₄、Q₅导通，功率开关Q₁、Q₃关断。电感L₂放电并通过功率开关Q₂向负载供电。电容C₂放电，并通过电感L₁给负载供电，电感L₁充电；电容C₃放电，并通过功率开关Q₂和Q₅给电容C₁充电。

上述三种开关状态中，当S₃S₄＝10时，电容C₂、C₃串联充电；当S₃S₄＝00时，电容C₁、C₂串联充电；当S₃S₄＝01时，电容C₂、C₃并联放电。因此，能量按上述方式传递，通过开关电容串联充电、并联放电获得大比例降压。

通过对降压(Buck)、升压(Boost)模式运行原理的分析，本发明实施例提出的交错并联开关电容型双向直流变换器，应用在储能系统中时，当工作在升压(Boost)状态进行大比例升压；当工作在降压(Buck)状态进行大比例降压。通过升压、降压模式的切换，满足储能系统能量双向流动的需求，而且满足低压储能设备与高压汇流母线间升、降压的应用场合。

此外，本发明实施例中提出的交错并联开关电容型双向直流变换器中开关管全部采用低通态电阻的可控功率管，电流只在死区时间t_d内流过通态电阻较高的可控功率管的体二极管，其余时间流过低通态电阻的全控功率开关；死区时间t_d在电路运行时间中所占比例极小，因此大大降低了消耗在续流二极管通态电阻上的能量，提高了交错并联开关电容型双向直流变换的能量转换效率。

综上所述，本发明实施例提出的交错并联开关电容型双向直流变换器，满足储能系统中低压储能设备与电高压汇流母线间升、降压的应用要求，通过全可控功率管方案提升了变换器的能量转换效率，且低压侧电流纹波小、功率器件电压电流应力小、电容电压和电感电流自动平衡，非常适合储能系统中的升、降压应用场合对高效、大比例升降压双向直流变换器的需求。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，

所述直流变换器在升压运行时通过开关电容并联充电、串联放电获得高电压增益；

所述直流变换器在降压运行时通过开关电容串联充电、并联放电获得高降压比；

所述双向直流变换器所有功率开关的电压应力均为高压侧电压的一半，且电容电压、电感电流自动平衡；

所述双向直流变换器利用交错并联技术减小了低压侧的电流纹波，且拓扑中的功率开关全部采用低通态电阻的可控功率管。

2.根据权利要求1所述的一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述高电压增益为：

<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>2</mn> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>o</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>t</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，U_high为高压侧端口电压；U_low为低压侧端口电压；d_Boost为Boost模式时功率开关Q₁、Q₂的占空比。

3.根据权利要求1所述的一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述高降压比为：

<mrow> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>l</mi> <mi>o</mi> <mi>w</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <msub> <mi>d</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mi>u</mi> <mi>c</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>U</mi> <mrow> <mi>h</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>h</mi> </mrow> </msub> </mrow>

其中，U_high为高压侧端口电压；U_low为低压侧端口电压；d_Buck为Buck模式时功率开关Q₃、Q₄的占空比。

4.根据权利要求1所述的一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述开关电容并联充电、串联放电具体为：

当S₁S₂＝00时，电容C₁、C₂并联充电；当S₁S₂＝01时，电容C₂、C₃并联充电；当S₁S₂＝10时，电容C₂、C₃串联放电；

其中，S₁、S₂分别为功率开关Q₁、Q₂的开关信号。

5.根据权利要求1所述的一种用于储能系统交错并联开关电容型宽增益双向直流变换器，其特征在于，所述开关电容串联充电、并联放电具体为：

当S₃S₄＝10时，电容C₂、C₃串联充电；当S₃S₄＝00时，电容C₁、C₂串联充电；当S₃S₄＝01时，电容C₂、C₃并联放电；

其中，S₃、S₄分别为功率开关Q₃、Q₄的开关信号。