CN108566090A - 一种低压直流双向双极性dcdc变换器 - Google Patents

一种低压直流双向双极性dcdc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低压直流双向双极性DCDC变换器，包括变换器电路、检测电路和控制器；变换器电路包括4个绝缘栅双极型晶体管、2个电容和2个电感，每个绝缘栅双极型晶体管的两端均反并联一个二极管；检测电路包括电压采集器和电流采集器；控制器的输入端接收检测电路所采集的电压U2、电压U3、供电电流I2和供电电流I3，控制器通过算法控制将电压U2和电压U3控制为均等于上级直流电网DC1的电压U1的一半，控制器的输出端输出四个驱动信号用于控制绝缘栅双极型晶体管。本发明提供的变换器，均采用全控型器件，将DC1母线电压均分，扩大供电电压等级，形成双极性直流供电，能实现能量双向流动，并保证双极直流电压平衡。

Description

一种低压直流双向双极性DCDC变换器
技术领域
本发明涉及一种变换器，特别是涉及一种低压直流双向双极性DCDC变换器，属于低压直流配电网DCDC电力电子开关拓扑及控制技术领域。
背景技术
低压直流电网单极供电一般采用两根电线传输电能，直流双极供电可降低母线对地电压等级，用户可根据需要选择单级、双极供电，还能满足电网中不同负载变换器对输入电压平衡的要求。为了构造0V电压点，通常在直流电网接入末端系统的前端设置电压平衡器，以实现不同的接地型式(电源侧可接地)，并形成直流双极供电方式。但是，其存在的不足是：构造双极供电要两个单独的DCDC控制器，且不一定能实现能量双向流动。
发明内容
本发明的主要目的在于，克服现有技术中的不足，提供一种低压直流双向双极性DCDC变换器，能实现能量双向流动，并保证双极直流电压平衡，以及有效、可靠的运行。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种低压直流双向双极性DCDC变换器，包括变换器电路、检测电路和控制器；
所述变换器电路的输入端分别为正极D1端和负极D2端，正极D1端与上级直流电网DC1的母线正极相连，负极D2端与上级直流电网DC1的母线负极相连；
所述变换器电路的输出端分别为正极D3端、接地D4端和负极D5端，正极D3端与下级直流电网DC2的母线正极相连，接地D4端与下级直流电网DC2的母线负极相连并接地保证零电位，接地D4端与下级直流电网DC3的母线正极相连，负极D5端与下级直流电网DC3的母线负极相连，形成双极性直流供电；
所述变换器电路包括4个绝缘栅双极型晶体管、2个电容和2个电感，每个绝缘栅双极型晶体管的两端均反并联一个二极管；4个绝缘栅双极型晶体管分别记为V1、V2、V3、V4，2个电容分别记为C1、C2，2个电感分别记为L1、L2；V1的集电极、C1的正极和V3的集电极均与正极D1端相连，V1的发射极分别与V2的集电极、L1的一端相连，L1的另一端分别与C1的负极、C2的正极、L2的一端相连，V3的发射极分别与V4的集电极、L2的另一端相连，V2的发射极、C2的负极和V4的发射极均与负极D2端相连；V3的集电极通过正极导线与正极D3端相连，C1的负极引出接地导线与接地D4端相连，V4的发射极通过负极导线与负极D5端相连；
所述检测电路包括电压采集器和电流采集器；所述电压采集器从正极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC2的电压U2，并从负极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC3的电压U3；所述电流采集器从正极导线上采集到供电电流I2，并从负极导线上采集到供电电流I3；
所述控制器的输入端接收检测电路所采集的电压U2、电压U3、供电电流I2和供电电流I3，控制器通过算法控制将电压U2和电压U3控制为均等于上级直流电网DC1的电压U1的一半，控制器的输出端输出四个驱动信号用于控制绝缘栅双极型晶体管；四个驱动信号分别为g1、g2、g3、g4，g1驱动V1的栅极，g2驱动V2的栅极，g3驱动V3的栅极，g4驱动V4的栅极。
本发明进一步设置为：所述控制器采用两组相同的独立控制算法分别控制电压U2和电压U3，独立控制算法采用电流电压双闭环控制，所述电流电压双闭环控制包括电压外环控制和电流内环控制。
本发明进一步设置为：所述控制器在控制电压U2时，通过将控制DC2电压设置值UDC2_ref与电压U2的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref2，将该指令电流信号iref2与供电电流I2的偏差经PI调节器输出调制信号uref2，将该调制信号uref2与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g4、g3分别控制V4、V3；其中，UDC2_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半；
所述控制器在控制电压U3时，通过将控制DC3电压设置值UDC3_ref与电压U3的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref3，将该指令电流信号iref3与供电电流I3的偏差经PI调节器输出调制信号uref3，将该调制信号uref3与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g1、g2分别控制V1、V2；其中，UDC3_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半。
本发明进一步设置为：所述电压采集器为电压互感器。
本发明进一步设置为：所述电流采集器为电流互感器。
本发明进一步设置为：所述控制器通过光纤输出驱动信号控制绝缘栅双极型晶体管。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
本发明提供的低压直流配网中双向双极性DCDC变换器，均采用全控型器件，能量可以双向流动，并保证双极直流电压平衡，试验结果非常直观，以及可以有效、可靠的运行。
上述内容仅是本发明技术方案的概述，为了更清楚的了解本发明的技术手段，下面结合附图对本发明作进一步的描述。
附图说明
图1为本发明一种低压直流双向双极性DCDC变换器的结构示意图；
图2为本发明一种低压直流双向双极性DCDC变换器中变换器电路的结构示意图；
图3为DC2电压控制有效部分电路拓扑图；
图4为DC2电压控制框图；
图5为DC3电压控制有效部分电路拓扑图；
图6为DC4电压控制框图；
图7为本发明的仿真示意图；
图8为DC2母线电压仿真结果；
图9为DC3母线电压仿真结果。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
如图1及图2所示，本发明提供一种低压直流双向双极性DCDC变换器，包括变换器电路、检测电路和控制器。
所述变换器电路的输入端分别为正极D1端和负极D2端，正极D1端与上级直流电网DC1的母线正极相连，负极D2端与上级直流电网DC1的母线负极相连。
所述变换器电路的输出端分别为正极D3端、接地D4端和负极D5端，正极D3端与下级直流电网DC2的母线正极相连，接地D4端与下级直流电网DC2的母线负极相连并接地保证零电位，接地D4端与下级直流电网DC3的母线正极相连，负极D5端与下级直流电网DC3的母线负极相连，形成双极性直流供电。
所述变换器电路包括4个绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor)、2个电容和2个电感，每个绝缘栅双极型晶体管的两端均反并联一个二极管；4个绝缘栅双极型晶体管分别记为V1、V2、V3、V4，2个电容分别记为C1、C2，2个电感分别记为L1、L2；V1的集电极、C1的正极和V3的集电极均与正极D1端相连，V1的发射极分别与V2的集电极、L1的一端相连，L1的另一端分别与C1的负极、C2的正极、L2的一端相连，V3的发射极分别与V4的集电极、L2的另一端相连，V2的发射极、C2的负极和V4的发射极均与负极D2端相连；V3的集电极通过正极导线与正极D3端相连，C1的负极引出接地导线与接地D4端相连，V4的发射极通过负极导线与负极D5端相连。
所述检测电路包括电压采集器和电流采集器，所述电压采集器为电压互感器，所述电流采集器为电流互感器；所述电压采集器从正极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC2的电压U2，并从负极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC3的电压U3；所述电流采集器从正极导线上采集到供电电流I2，并从负极导线上采集到供电电流I3。
所述控制器的输入端接收检测电路所采集的电压U2、电压U3、供电电流I2和供电电流I3，控制器通过算法控制将电压U2和电压U3控制为均等于上级直流电网DC1的电压U1的一半，控制器的输出端输出四个驱动信号用于控制绝缘栅双极型晶体管；四个驱动信号分别为g1、g2、g3、g4，g1驱动V1的栅极，g2驱动V2的栅极，g3驱动V3的栅极，g4驱动V4的栅极。
所述控制器通过光纤输出驱动信号控制绝缘栅双极型晶体管。
所述控制器采用两组相同的独立控制算法分别控制电压U2和电压U3，独立控制算法采用电流电压双闭环控制，所述电流电压双闭环控制包括电压外环控制和电流内环控制。
所述控制器在控制电压U2时，通过将控制DC2电压设置值UDC2_ref与电压U2的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref2，将该指令电流信号iref2与供电电流I2的偏差经PI调节器输出调制信号uref2，将该调制信号uref2与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g4、g3分别控制V4、V3；其中，UDC2_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半。
所述控制器在控制电压U3时，通过将控制DC3电压设置值UDC3_ref与电压U3的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref3，将该指令电流信号iref3与供电电流I3的偏差经PI调节器输出调制信号uref3，将该调制信号uref3与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g1、g2分别控制V1、V2；其中，UDC3_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半。
本发明提供一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其工作过程如下：
1、将D1端、D2端连接上级直流电网DC1的母线两端，即D1端接DC1的正极，D2端接DC1的负极；D3端、D4端连接下级直流电网DC2的母线两端，即D3接DC2的正极，D4端作为DC2的负极接地保证零电位；D4端、D5端连接下级直流电网DC3的母线两端，即D4端作为DC3的正极，D5端接DC3负极。此时4个IGBT的驱动信号均闭锁。
2、采集DC2、DC3母线的电压U2、U3，采集双极母线的电流I2、I3。
3、控制DC2直流电压，采用一组单独的控制，此时电路拓扑有效部分如图3所示。利用U2、I2采用电流电压双闭环控制，电压外环控制DC2电压为设置值UDC2_ref，其值预设为DC1直流电压的一半，电流内环保证电流动态响应控制速度，输出驱动信号g4、g3分别控制V4、V3，控制如图4所示。
4、控制DC3直流电压，采用一组单独的控制，此时电路拓扑有效部分如图5所示；利用U3、I3采用电流电压双闭环控制，电压外环控制DC3电压为设置值UDC3_ref，其值预设为DC1直流电压的一半，电流内环保证电流动态响应控制速度，输出驱动信号g1、g2分别控制V1、V2，控制如图6所示。
5、利用MATLAB/SIMULINK搭建仿真模型如图7所示，DC1母线电压为750V，设置DC2母线电压UDC2_ref为+375V，DC3母线电压UDC3_ref为-375V，仿真结果DC2母线电压如图8所示，DC3母线电压如图9所示。
本发明的创新点在于，将DC1母线电压均分，扩大供电电压等级，并形成双极性直流供电，能实现能量双向流动，并保证双极直流电压平衡，以及有效、可靠的运行。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (6)

1.一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：包括变换器电路、检测电路和控制器；
所述变换器电路的输入端分别为正极D1端和负极D2端，正极D1端与上级直流电网DC1的母线正极相连，负极D2端与上级直流电网DC1的母线负极相连；
所述变换器电路的输出端分别为正极D3端、接地D4端和负极D5端，正极D3端与下级直流电网DC2的母线正极相连，接地D4端与下级直流电网DC2的母线负极相连并接地保证零电位，接地D4端与下级直流电网DC3的母线正极相连，负极D5端与下级直流电网DC3的母线负极相连，形成双极性直流供电；
所述变换器电路包括4个绝缘栅双极型晶体管、2个电容和2个电感，每个绝缘栅双极型晶体管的两端均反并联一个二极管；4个绝缘栅双极型晶体管分别记为V1、V2、V3、V4，2个电容分别记为C1、C2，2个电感分别记为L1、L2；V1的集电极、C1的正极和V3的集电极均与正极D1端相连，V1的发射极分别与V2的集电极、L1的一端相连，L1的另一端分别与C1的负极、C2的正极、L2的一端相连，V3的发射极分别与V4的集电极、L2的另一端相连，V2的发射极、C2的负极和V4的发射极均与负极D2端相连；V3的集电极通过正极导线与正极D3端相连，C1的负极引出接地导线与接地D4端相连，V4的发射极通过负极导线与负极D5端相连；
所述检测电路包括电压采集器和电流采集器；所述电压采集器从正极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC2的电压U2，并从负极导线和接地导线之间采集到下级直流电网DC3的电压U3；所述电流采集器从正极导线上采集到供电电流I2，并从负极导线上采集到供电电流I3；
所述控制器的输入端接收检测电路所采集的电压U2、电压U3、供电电流I2和供电电流I3，控制器通过算法控制将电压U2和电压U3控制为均等于上级直流电网DC1的电压U1的一半，控制器的输出端输出四个驱动信号用于控制绝缘栅双极型晶体管；四个驱动信号分别为g1、g2、g3、g4，g1驱动V1的栅极，g2驱动V2的栅极，g3驱动V3的栅极，g4驱动V4的栅极。
2.根据权利要求1所述的一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：所述控制器采用两组相同的独立控制算法分别控制电压U2和电压U3，独立控制算法采用电流电压双闭环控制，所述电流电压双闭环控制包括电压外环控制和电流内环控制。
3.根据权利要求2所述的一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：所述控制器在控制电压U2时，通过将控制DC2电压设置值UDC2_ref与电压U2的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref2，将该指令电流信号iref2与供电电流I2的偏差经PI调节器输出调制信号uref2，将该调制信号uref2与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g4、g3分别控制V4、V3；其中，UDC2_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半；
所述控制器在控制电压U3时，通过将控制DC3电压设置值UDC3_ref与电压U3的偏差经PI调节器输出指令电流信号iref3，将该指令电流信号iref3与供电电流I3的偏差经PI调节器输出调制信号uref3，将该调制信号uref3与三角载波瞬时值进行比较后，输出驱动信号g1、g2分别控制V1、V2；其中，UDC3_ref为上级直流电网DC1的电压U1的一半。
4.根据权利要求1所述的一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：所述电压采集器为电压互感器。
5.根据权利要求1所述的一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：所述电流采集器为电流互感器。
6.根据权利要求1所述的一种低压直流双向双极性DCDC变换器，其特征在于：所述控制器通过光纤输出驱动信号控制绝缘栅双极型晶体管。
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