CN108011524B - 作物发电用4-11型llc谐振变换器参数设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种作物发电用4‑11型LLC谐振变换器参数设计方法，涉及能量变换装置、新能源等技术领域。所述设计方法包括如下步骤：获取4‑11型LLC谐振变换器的fp、fr以及n；分别根据所述LLC谐振变换器满载及正反双向同频率谐振的条件或所述LLC谐振变换器空载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp以及第二谐振频率fr的第一关系和第二关系；根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解。所述方法具有一般性，能够在不借助仿真计算的情况下使设计者得到准确的4‑11型LLC谐振变换器参数。

Description

作物发电用4-11型LLC谐振变换器参数设计方法
技术领域
本发明涉及能量变换装置、新能源等技术领域，尤其涉及一种作物发电用4-11型LLC谐振变换器参数设计方法。
背景技术
双向DC-DC变换器可实现直流变压、双向传输能量和电气隔离的功能，能够将植物发电、光伏发电装置得到的直流电转换成负载所需的电压等级，对负载供电，在负载能量盈余时可反向传输给储能装置，实现能量双向传递。
作物、土壤等新能源发电因其色环保、可实现能量循环利等优势日益受到业内关注，在未来具有广阔的前景。大田种植的农作物及土壤等新能源发电，能够提供较多电能，可通过变流器向用户供电，但由于其受环境变换影响较大，输出电压波动范围较大，对变换器的性能要求也较高。
4-11型双向LLC谐振变换器以其宽输入输出范围，对输入波动较大的作物、土壤、太阳能等新能源发电装置具有良好双向传递能量能力。
RudySeverns根据谐振元件不同的排列组合，用穷尽的方式给出了38类具有3个谐振元件的谐振变流器，其中LLC谐振变流器有17类，目前的双向LLC谐振变换器通常采用4-4型对称拓扑结构。对变压器一次侧谐振回路采用4型拓扑，二次侧采用11型拓扑的非对称LLC谐振变换器结构，但该文章所提出的设计方法，是在仿真实验基础上由对照实验结果得到近似经验值设计参数，并未提出能够使4-11型谐振变换器满足双向同频谐振的一般化设计方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种具有一般性，能够在不借助仿真计算的情况下使设计者得到准确的4-11型LLC谐振变换器参数的设计方法。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种作物发电用4-11型LLC谐振变换器参数设计方法，其特征在于包括如下步骤：
获取4-11型LLC谐振变换器的第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR的变比n；
根据所述LLC谐振变换器满载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp以及第二谐振频率fr的第一关系；
根据所述LLC谐振变换器空载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR变比n的第二关系；
根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解，其中谐振参数Lr和Lm为所述变换器中发电系统侧两个电感的值，所述C1为发电系统侧电容的值，所述C2为储能系统侧电容的值。
进一步的技术方案在于，所述第一关系通过如下方法获取：
将谐振变换器的等效电路设为空载情况，在相同第一谐振频率fp下电路正向、反向状态方程如式(1)、式(2)所示
其中fp为采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向、反向传递时等效电路的第一谐振频率。
进一步的技术方案在于，所述第二关系通过如下方法获取：
将谐振变换器的等效电路设为满载情况下，在相同第二谐振频率fr下电路正向、反向状态方程组如式(3)、式(4)所示：
对公式(3)、(4)进行化简得到公式(5)、(6)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1+Lmn2C2)+1＝0 (5)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1/n2+LmC2)+1＝0 (6)
其中：fr为采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向、反向传递时等效电路的第二谐振频率，n为所述等效电路中变压器TR的变比。
进一步的技术方案在于，根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解的方法如下：
联立公式(1)(2)(5)(6)可得方程组(7)
变压器变比n与两谐振频率fr、fp为已知量，因此方程组(7)中，仅存在未知量Lr、Lm、C1、C2，方程数量为4，未知量数量也为4，通过计算机矩阵处理软件，可求出方程组(7)的解，即为设计目标谐振变换器谐振参数Lr、Lm、C1、C2。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明所述方法，通过建立相关参数数学模型，代入已知量进行求解，能够求得准确的参数，且具有设计的一般性，能够在不借助仿真计算的情况下使设计者得到准确的设计参数。所得到的结果，能够满足使4-11型LLC谐振变换器在在正向、反向工作模式下具有相同的谐振频率，从而保证了该类非对称结构的谐振变换器正反双向具有相同的工作特性和良好的能量传递特性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例中4型LLC拓扑结构图；
图2是本发明实施例中11型LLC拓扑结构图；
图3是本发明实施例中4-11型双向LLC谐振变换器的电路原理图；
图4是本发明实施例中采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向传递时的等效电路图；
图5是本发明实施例中采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量反向传递时的等效电路图；
图6是本发明实施例所述方法的主流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
总体的，如图6所示，本发明公开了一种作物发电用4-11型LLC谐振变换器参数设计方法，包括如下步骤：
获取4-11型LLC谐振变换器的第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR的变比n；
根据所述LLC谐振变换器满载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp以及第二谐振频率fr的第一关系；
根据所述LLC谐振变换器空载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR变比n的第二关系；
根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解，其中谐振参数Lr和Lm为所述变换器中发电系统侧两个电感的值，所述C1为发电系统侧电容的值，所述C2为储能系统侧电容的值。
下面根据附图进行详细说明：
4型、11型LLC拓扑结构如图1和图2所示。4-11型双向LLC谐振变换器如图3所示。对比图1-2与图3可知，图3两虚线框分别为4型LLC拓扑结构(即Type-4LLC)和11型LLC拓扑结构(即Type-11LLC)。当能量由发电系统向负载系统传递，即能量正向传递时，变换器类似于4型LLC变换器拓扑结构工作特性。能量由负载系统回馈至发电系统时，即能量反向传递时，变换器类似于11型LLC变换器拓扑结构工作特性。
4-11型谐振变换器参数设计目标为对谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行设计。
(1)为保证较高的传输效率，谐振变换器通常工作在谐振频率点附近，此时电流波形接近正弦波，因此采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向、反向传递时等效电路图，如图4和图5所示。其中n为变压器TR变比，Rac1、Rac2为等效负载，Ein1、Ein2为等效输入电压。
(2)为保证变换器有良好的工作特性，需使变换器双向工作时实现同频谐振，即正向、反向能量传递时具有相同的谐振频率。LLC谐振变换器具有两个谐振频率。空载情况下，将等效负载(Rac1、Rac2)支路看作开路，此时变换器工作于第一谐振频率fp。满载情况下，将等效负载(Rac1、Rac2)支路看作短路，此时变换器工作于第二谐振频率fr。
(3)将电路设为空载情况，在相同第一谐振频率fp下电路正向、反向状态方程如式(1)、式(2)所示
(4)将电路设为满载情况下，在相同第二谐振频率fr下电路正向、反向状态方程组如式(3)、式(4)所示。
(5)对公式(3)、(4)进行化简得到公式(5)、(6)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1+Lmn2C2)+1＝0 (5)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1/n2+LmC2)+1＝0 (6)
(6)联立方程(1)(2)(5)(6)可得方程组(7)
变压器变比n与两谐振频率fr、fp为设计已知量，因此方程组(7)中，仅存在未知量LrLmC1C2，方程数量为4，未知量数量也为4，通过计算机矩阵处理软件，可求出方程组(7)的解，即为设计目标谐振变换器谐振参数LrLmC1C2。
本发明所述方法，通过建立相关参数数学模型，代入已知量进行求解，能够求得准确的参数，且具有设计的一般性，能够在不借助仿真计算的情况下使设计者得到准确的设计参数。所得到的结果，能够满足使4-11型LLC谐振变换器在在正向、反向工作模式下具有相同的谐振频率，从而保证了该类非对称结构的谐振变换器正反双向具有相同的工作特性和良好的能量传递特性。

Claims (1)

1.一种作物发电用4-11型LLC谐振变换器参数设计方法，其特征在于包括如下步骤：
获取4-11型LLC谐振变换器的第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR的变比n；
根据所述LLC谐振变换器满载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp以及第二谐振频率fr的第一关系，所述第一关系通过如下方法获取：
将谐振变换器的等效电路设为空载情况，在相同第一谐振频率fp下电路正向、反向状态方程如式(1)、式(2)所示
其中fp为采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向、反向传递时等效电路的第一谐振频率；
根据所述LLC谐振变换器空载及正反双向同频率谐振的条件，确定所述谐振变换器的谐振参数Lr、Lm、C1、C2与第一谐振频率fp、第二谐振频率fr以及变压器TR变比n的第二关系，所述第二关系通过如下方法获取：
将谐振变换器的等效电路设为满载情况下，在相同第二谐振频率fr下电路正向、反向状态方程组如式(3)、式(4)所示：
对公式(3)、(4)进行化简得到公式(5)、(6)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1+Lmn2C2)+1＝0 (5)
(2πfr)4·(C1C2LmLr)-(2πfr)2(LrC1+LmC1/n2+LmC2)+1＝0 (6)
其中：fr为采用基波分析法确定4-11型LLC谐振变换器在能量正向、反向传递时等效电路的第二谐振频率，n为所述等效电路中变压器TR的变比；
根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解，其中谐振参数Lr和Lm为所述变换器中发电系统侧两个电感的值，所述C1为发电系统侧电容的值，所述C2为储能系统侧电容的值，根据所述第一关系和第二关系对所述谐振参数Lr、Lm、C1、C2进行求解的方法如下：
联立公式(1)、(2)、(5)、(6)可得方程组(7)：
变压器变比n与两谐振频率fr、fp为已知量，因此方程组(7)中，仅存在未知量Lr、Lm、C1、C2，方程数量为4，未知量数量也为4，通过计算机矩阵处理软件，可求出方程组(7)的解，即为设计目标谐振变换器谐振参数Lr、Lm、C1、C2。
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