CN110138207A - 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器 - Google Patents

可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器 Download PDF

Info

Publication number
CN110138207A
CN110138207A CN201811558737.XA CN201811558737A CN110138207A CN 110138207 A CN110138207 A CN 110138207A CN 201811558737 A CN201811558737 A CN 201811558737A CN 110138207 A CN110138207 A CN 110138207A
Authority
CN
China
Prior art keywords
voltage
converter
power switch
energy
capacitor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201811558737.XA
Other languages
English (en)
Inventor
王萍
杨瑞福
毕华坤
王智爽
谢思宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tianjin University Marine Technology Research Institute
Original Assignee
Tianjin University Marine Technology Research Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tianjin University Marine Technology Research Institute filed Critical Tianjin University Marine Technology Research Institute
Priority to CN201811558737.XA priority Critical patent/CN110138207A/zh
Publication of CN110138207A publication Critical patent/CN110138207A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，由一个传统boost变换器和一个传统的buck/boost变换器集合而成；其中传统boost变换器是由电感L 1、功率开关Q 3、Q 4和电容C H构成，传统的buck/boost变换器由电感L 2、功率开关Q 1、Q 2以及电容C 1构成；首先将两者的低压侧并联，其次将buck/boost变换器的高压侧电容C 1与功率开关Q 3串联后再与boost变换器的高压侧并联，利用电容C 1存储或释放电感中的能量，将两者构成了一个可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器；该变换器能安全高效的将储能装置中的电能和直流微网中能量进行传输，并能适用不同电压等级储能装置。

Description

可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器
技术领域
本发明属于电力电子功率变换技术领域，尤其涉及可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，属于储能装置与直流母线功率双向交换的应用场合。
背景技术
在当前环境、能源问题日渐严峻的情况下，新能源已成为当今社会的热门话题，为了更好的把风能、太阳能、潮汐能等能源更有效的利用，通常的做法是把这些能量存储于储能装置中。然后通过适配的DC/DC变换电路将储能装置中的电能释放于直流微网中，为了保证直流微网的稳定性，使储能装置的应用更加灵活，有必要将直流微网的电能送到储能装置中。
目前 DC/DC 变换电路种类繁多，主要分为隔离式和非隔离式，隔离型拓扑结构复杂，控制困难、成本高昂，效率较低，但是它使得双向 DC/DC 系统更加安全、可靠。非隔离型拓扑虽然有诸如纹波大、开关管应力大等缺点，但具有结构简单、驱动简单、能量转换效率高、器件少、成本低的优点，并可以通过优化控制方式进一步提高效率。而且，不同储能装置的电压往往不同，相对于直流母线电压往往比较低，因此一种高电压增益的双向非隔离DC/DC 拓扑具备应用开发的条件和投入市场的前景。
发明内容
为解决现有技术存在的技术难题，本发明可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，能安全高效的将储能装置中的电能和直流微网中能量进行传输，并能适用不同电压等级储能装置。
可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，由一个传统boost变换器和一个传统的buck/boost变换器集合而成；其中传统boost变换器是由电感L 1、功率开关Q 3、Q 4和电容C H构成，传统的buck/boost变换器由电感L 2、功率开关Q 1、Q 2以及电容C 1构成；首先将两者的低压侧并联，其次将buck/boost变换器的高压侧电容C 1与功率开关Q 3串联后再与boost变换器的高压侧并联，利用电容C 1存储或释放电感中的能量，将两者构成了一个可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器；该变换器所需功率器件少，既可以实现电压高增益，开关管数量又相对较少，且由于开关管成对关合，也利于控制，具体方案如下：
所述双向DC/DC直流变换器的低压侧与储能装置相连，高压侧与直流母线相连；
所述双向DC/DC直流变换器的增益M在升压和降压模式下分别为：
其中，D boost和D buck为升压模式和降压模式下功率开关的占空比，VH为高压侧电压，VL为低压侧电压；
功率器件的电压应力为：
其中，V Q1、V Q2、V Q3、V Q4分别为功率开关管的电压应力，V C1为电容的电压；可以发现，功率开关V Q1、V Q2关断时承受的电压应力均小于高压侧电压，功率开关V Q3、V Q4关断时承受的电压应力均大于高压侧电压，且电容电压也小于高压侧电压。
可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，升压模式下通过在电感L1上建立较高的充放电电压，提高高压侧的电压。此外，该变换器所用器件少，功率开关成对关合易于控制，并且降低了一半功率开关和电容上的电压应力。因此，该变换器适用于储能装置和直流电压母线能量双向流动的场合。
附图说明
图1是传统boost变换器；
图2是传统buck/boost变换器；
图3是高电压增益的双向DC/DC变换器拓扑；
图4是升压模式下Q 1、Q 3导通状态下等效回路图；
图5是升压模式下Q 1、Q 3关断状态下等效回路图；
图6是升压模式下拓扑稳定运行时的重要工作波形；
图7是降压模式下Q 2、Q 4导通状态下等效回路图；
图8是降压模式下Q 2、Q 4关断状态下等效回路图；
图9是降压模式下拓扑稳定运行时的重要工作波形。
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。
实施例1：
一、拓扑结构
如图3所示高电压增益的双向DC/DC变换器，该DC/DC变换器低压侧与储能装置相连，高压侧与直流母线相连；变换器主体部分由一个传统boost变换器和一个传统的buck/boost变换器集合而成。其中传统boost变换器如图1所示，电感L 1、功率开关Q 3、Q 4和电容C H构成。传统的buck/boost变换器如图2所示，由电感L 2、功率开关Q 1、Q 2以及电容C 1构成。首先将两者的低压侧并联，其次将buck/boost变换器的高压侧电容C 1与功率开关Q 3串联后再与boost变换器的高压侧并联，利用电容C 1存储或释放电感中的能量，将两者构成了一个可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器。
二、宽电压增益
本发明分升压模式和降压模式，升压模式即储能装置为直流母线提供能量，能量流动从低压侧到高压侧；降压模式即直流母线为储能装置传递能量，能量流动从高压侧到低压侧。以下分两种模式进行阐述。同时分析基于以下假设：忽略所有二极管的正向导通压降和开关管的导通内阻，及其他器件的寄生参数，且拓扑中的电容的容值和电感的感值足够大（即电路达到稳态时，电容两端的电压和电感流过的电流近似为恒定）。
升压模式
该模式下，Q 1、Q 3作为主开关管，Q 2、Q 4作为从开关管（电流通过其反并联的二极管，不通过功率开关管本身），此外，功率开关Q 1和Q 3的门信号S 1和S 3是相同的，其占空比为Dboost。拓扑等效回路图和拓扑工作的主要波形如图4、图5和图6所示。
当S 1 S 3=11时，功率开关管Q 1、Q 3导通，Q 2、Q 4反并联二极管反向截止，电感L 1、L 2储存能量,电容C释放能量。在S 1 S 3=11的状态有三个电压闭合回路：V L-L 1-Q 3-C-V L、V L-Q 1-L 2-V L和C H-VH-C H。
当S 1 S 2=00时，功率开关管Q 1、Q 3关断，Q 2、Q 4反并联二极管正向导通，电容C储存能量，电感L 1、L 2释放能量。在S 1 S 3=00的状态有三个电压闭合回路：V L-L 1-Q 4-C H-V L、V L-L 1-Q 4-V H-V L和L 2-C-L 2。
当S 1 S 3=11时：
当S 1 S 3=00时：
根据伏秒平衡，电感在一个开关周期内储存和释放电量是相等的，对电感L 1、L 2列写方程：
简化公式（3）得
在升压模式下电压增益M boost为
降压模式
该模式下，Q 2、Q 4作为主开关管，Q 1、Q 3作为从开关管（电流通过其反并联的二极管，不通过功率开关管本身），此外，功率开关Q 2和Q 4的门信号S 2和S 4是相同的，其占空比为Dbuck。拓扑等效回路图和拓扑工作的主要波形如图7、图8和图9所示。
当S 2 S 4=11时，功率开关管Q 2、Q 4导通，Q 1、Q 3反并联二极管反向截止，电感L 1、L 2储存能量,电容C释放能量。在S 2 S 4=11的状态有三个电压闭合回路：V H -Q 4-L 1-V L-V H、V H -Q 4-L 1-C L-V H和L 2-C-L 2。
当S 2 S 4=00时，功率开关管Q 2、Q 4关断，Q 1、Q 3反并联二极管正向导通，电容C储存能量，电感L 1、L 2释放能量。在S 2 S 4=00的状态有三个电压闭合回路：C-Q 3-L 1-V L-C、L 2-V L-L 2和L 2-C L-L 2。
当S 2 S 4=11时：
当S 2 S 4=00时：
根据伏秒平衡，电感在一个开关周期内储存和释放电量是相等的，分别对电感L 1、L 2列写方程：
简化公式(8)得
在升压模式下电压增益M buckt为
三、低电压应力
升压模式
根据拓扑等效回路图图4图5可得升压模式下拓扑中功率开关管和电容的电压应力为：
降压模式
根据拓扑等效回路图图7图8可得降压模式下拓扑中功率开关管和电容的电压应力为：
通过以上分析可得，本发明的拓扑可以发现，功率开关VQ1、VQ2关断时承受的电压应力均小于高压侧电压，功率开关VQ3、VQ4关断时承受的电压应力均大于高压侧电压，且电容电压也小于高压侧电压，所用器件数量少。电压应力随Dboost的增加而减小（随Dbuck的减小而减小）。有利于选择耐压低、通态电阻小的功率开关管，有效降低开关损耗。此外，电容的电压应力也低于V H，这也有利于提高效率。
实施例2
下面根据图3所示的高电压增益的双向DC/DC变换器拓扑，图4、图5、图7、图8的拓扑等效回路图以及图6和图9的拓扑稳定运行时的重要工作波形，对本实施例1中方案的原理进行说明。该双向DC/DC拓扑分为升压模式和降压模式，在每个模式下的一个载波周期中，变换器都经历两个开关状态。下面分别对升压和降压模式下两个开关状态进行说明。
升压模式
当S 1 S 3=11时，该状态的等效电路如图4所示，功率开关管Q 1、Q 3导通，Q 2、Q 4反并联二极管反向截止，根据图6的拓扑工作波形，低压侧电源V L给电感L 1和L 2充电，并且低压侧电源V L和电容C串联为电感L 1充电。此外，电容C H维持高压侧直流母线电压。
当S 1 S 3=00时，该状态的等效电路如图5所示，功率开关管Q 1、Q 3关断，Q 2、Q 4反并联二极管正向导通，根据图6的拓扑工作波形，电感L 1为高压侧提供能量，电感L 2为电容C提供能量，电容C H维持高压侧直流母线电压。
降压模式
当S 2 S 4=11时，该状态的等效电路如图7所示，功率开关管Q 2、Q 4导通，Q 1、Q 3反并联二极管反向截止，根据图9的拓扑工作波形，高压侧电源V H向低压侧充电装置提供能量，同时给电感L 1充电，电容C向电感L 2提供能量。
当S 2 S 4=00时，该状态的等效电路如图8所示，功率开关管Q 2、Q 4关断，Q 1、Q 3反并联二极管反向截止，根据图9的拓扑工作波形，电感L 2为低压侧充电装置提供能量，电感L 1为低压侧充电装置提供能量并且给电容C充电。
综合上述两种模态，储能装置和高压侧直流母线可以实现能量的双向流动。本发明拓宽了电压增益范围并降低了部分功率器件和电容的电压应力，同时控制了器件的使用数量，使其更适合于储能装置的电压变换和能量双向流动的场合。
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 (1)

1.可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器，其特征在于：由一个传统boost变换器和一个传统的buck/boost变换器集合而成；其中传统boost变换器是由电感L 1、功率开关Q 3、Q 4和电容C H构成，传统的buck/boost变换器由电感L 2、功率开关Q 1、Q 2以及电容C 1构成；首先将两者的低压侧并联，其次将buck/boost变换器的高压侧电容C 1与功率开关Q 3串联后再与boost变换器的高压侧并联，利用电容C 1存储或释放电感中的能量，将两者构成了一个可用于储能装置的高电压增益的双向DC/DC变换器；该变换器所需功率器件少，既可以实现电压高增益，开关管数量又相对较少，且由于开关管成对关合，也利于控制，具体方案如下：
所述双向DC/DC直流变换器的低压侧与储能装置相连，高压侧与直流母线相连；
所述双向DC/DC直流变换器的增益M在升压和降压模式下分别为：
其中，D boost和D buck为升压模式和降压模式下功率开关的占空比，VH为高压侧电压，VL为低压侧电压；
功率器件的电压应力为：
其中，V Q1、V Q2、V Q3、V Q4分别为功率开关管的电压应力，V C1为电容的电压；可以发现，功率开关V Q1、V Q2关断时承受的电压应力均小于高压侧电压，功率开关V Q3、V Q4关断时承受的电压应力均大于高压侧电压，且电容电压也小于高压侧电压。
CN201811558737.XA 2018-12-19 2018-12-19 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器 Pending CN110138207A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811558737.XA CN110138207A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201811558737.XA CN110138207A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN110138207A true CN110138207A (zh) 2019-08-16

Family

ID=67568370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201811558737.XA Pending CN110138207A (zh) 2018-12-19 2018-12-19 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110138207A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110620502A (zh) * 2019-09-29 2019-12-27 哈尔滨理工大学 一种电动汽车大功率充电装置用dc/dc变换器
CN111262429A (zh) * 2020-03-17 2020-06-09 阳光电源股份有限公司 直流变换电路及光伏逆变装置
CN114744607A (zh) * 2022-04-27 2022-07-12 厦门大学 一种串联式直流微网群柔性互联架构
CN114744607B (zh) * 2022-04-27 2024-06-04 厦门大学 一种串联式直流微网群柔性互联架构

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107395010A (zh) * 2017-06-20 2017-11-24 天津大学 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
CN107919797A (zh) * 2017-11-01 2018-04-17 天津大学 燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107395010A (zh) * 2017-06-20 2017-11-24 天津大学 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
CN107919797A (zh) * 2017-11-01 2018-04-17 天津大学 燃料电池用宽输入范围交错并联型高效升压直流变换器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ZHISHUANG WANG等: "A Novel Bidirectional DC/DC Converter with Wide Voltage Gain Range for Energy Storage Device", 《2018 IEEE INTERNATIONAL POWER ELECTRONICS AND APPLICATION CONFERENCE AND EXPOSITION》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110620502A (zh) * 2019-09-29 2019-12-27 哈尔滨理工大学 一种电动汽车大功率充电装置用dc/dc变换器
CN111262429A (zh) * 2020-03-17 2020-06-09 阳光电源股份有限公司 直流变换电路及光伏逆变装置
CN114744607A (zh) * 2022-04-27 2022-07-12 厦门大学 一种串联式直流微网群柔性互联架构
CN114744607B (zh) * 2022-04-27 2024-06-04 厦门大学 一种串联式直流微网群柔性互联架构

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107395010B (zh) 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
CN206698111U (zh) 一种采用开关电感和开关电容的准开关升压dc‑dc变换器
CN106374770A (zh) 输入输出共地可升降压型光伏并网逆变器及其控制方法
CN105529925B (zh) 基于开关电感的Boost变换器
CN104779790A (zh) 一种开关电感型准z源dc-dc变换器电路
CN204442176U (zh) 一种开关电感型准z源dc-dc变换器电路
CN107896059A (zh) 基于交错并联的电容钳位型高增益升压变换器
CN204615647U (zh) 双向升降压直流变换电路
CN103633839A (zh) 一种改进型z源升压dc-dc变换器
CN103501115A (zh) 一种交错并联工作的直流降压电路
CN103825457A (zh) 一种准z源直流-直流升压变换器电路
CN104009633A (zh) 一种电流连续型高增益dc-dc变换器电路
CN203883673U (zh) 一种改进型z源升压dc-dc变换器
CN110138207A (zh) 可用于储能装置的高电压增益的双向dc/dc变换器
CN204465377U (zh) 一种并串联交错式三端口变换器
CN203722474U (zh) 一种准z源直流-直流升压变换器电路
CN104811075B (zh) 一种组合变换器的控制方法
CN205847090U (zh) 一种混合型准开关升压dc‑dc变换器
CN205847091U (zh) 一种开关电感型准开关升压dc‑dc变换器
CN204068701U (zh) 一种非隔离型高降压比dc/dc变换器
CN206422691U (zh) 一种共地型高增益z源dc‑dc变换器
CN109672403A (zh) 一种四开关mppt控制器
CN205847086U (zh) 一种开关电容型高增益准z源dc‑dc变换器
CN103929087A (zh) 一种高效率高功率因数的双向ac-dc变换器
CN204696953U (zh) 一种适用于光伏发电的z源逆变器

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20190816

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication