CN111541372B - 一种基于三开关的双向dc/dc拓扑电路及控制方法 - Google Patents

一种基于三开关的双向dc/dc拓扑电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路，包括三个开关模块、能量存储/释放模块和电压平稳模块，其中，三个开关模块依次组成桥臂，通过三个开关模块控制双向DC/DC拓扑电路的工作状态；能量存储/释放模块用于存储/释放能量；电压平稳模块用于稳定电压；本发明还公开了一种基于上述双向DC/DC电路的控制方法。本发明的占空比可以根据需要的功率流向进行任意调整，既能通过电池组升压给到直流母线，给负载供电；同时也能通过直流母线给电池充电，实现能量的双向流动，通过共享电池组的方式，降低储能逆变器中电池组的使用占比，提高利用率，降低消耗成本。

Description

一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路及控制方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路及控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题日益严重，新能源发电技术逐渐成为世界关注和研究的热点，而新能源供电系统中为解决新能源发电设备受环境影响的固有缺陷，必须配备一定容量的储能装置。储能装置起到能量平衡和支撑作用，及时补充系统的短时峰值功率，回收多余功率，保证供电的连续性和可靠性，提高电能的利用率，并且可以确保发电设备在输出功率或负载功率波动较大时，仍能够保持良好的稳定性。然而如果每台储能逆变器原则上需要配置一个电池组，那么多台逆变器就需要配置多个电池组，而电池组在整个储能逆变器中占的成本较高，严重影响了储能装置的大规模使用。
发明内容
本发明克服了上述现有的技术不足，提供一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路及控制方法。本发明既能通过电池组升压给到直流母线，给负载供电；同时也能通过直流母线给电池充电，实现能量的双向流动，降低储能逆变器中电池组的使用占比，提高利用率，降低消耗成本。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路，包括三个开关模块、能量存储/释放模块和电压平稳模块，其中，
所述的三个开关模块依次组成桥臂，通过三个开关模块控制双向DC/DC拓扑电路的工作状态；
所述的能量存储/释放模块用于存储/释放能量；
所述的电压平稳模块用于稳定电压；
连接关系包括以下：
所述的输入级的正极与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的能量存储/释放模块的另一端与桥臂中两个开关管的连接点电连接；
所述的输入级的负极与桥臂中另外两个开关管的连接点电连接；
所述的桥臂的一端与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的桥臂的另一端与能量存储/释放模块的另一端电连接；
所述的电压平稳模块的一端与输出级的正极电连接；
所述的电压平稳模块的另一端与输出级的负极电连接。
本发明的占空比可以根据需要的功率流向进行任意调整，既能通过电池组升压给到直流母线，给负载供电；同时也能通过直流母线给电池充电，实现能量的双向流动，通过共享电池组的方式，降低储能逆变器中电池组的使用占比，提高利用率，降低消耗成本。
在一种优选的方案中，所述的开关模块是MOS管或者晶体管或者包括反相二极管的IGBT管。
在一种优选的方案中，所述的开关模块是包括反相二极管的IGBT管，其连接关系如下：
所述的第一IGBT管的集电极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与第二IGBT管的集电极电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与第三IGBT管的集电极电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与输入级的负极电连接；
所述的第三IGBT管的发射极与电压平稳模块的另一端电连接。
在一种优选的方案中，所述的能量存储/释放模块包括电感，所述的电感的一端定义为能量存储/释放模块的一端；所述的电感的另一端定义为能量存储/释放模块的另一端。
在一种优选的方案中，所述的电压平稳模块包括电容，所述的电容的一端定义为电压平稳模块的一端；所述的电容的另一端定义为电压平稳模块的另一端。
本发明还公开了基于上述电路的控制方法，实现BOOST升压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管闭合，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
输入级接入直流电，能量存储/释放模块存储能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块释放能量，提高电压平稳模块两端的电压，电压平稳模块保持输出电压的稳定，输出级接入母线，实现对母线电压的提高。
在一种优选的方案中，实现BUCK降压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管断开，将第一开关管闭合，将第三开关管闭合；输入级接入母线，输出级接入电池组；
输入级通过能量存储/释放模块存储能量同时为输出级提供能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块对输出级提供能量，电压平稳模块保持输出电压稳定。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明的占空比可以根据需要的功率流向进行任意调整，既能通过电池组升压给到直流母线，给负载供电；同时也能通过直流母线给电池充电，实现能量的双向流动，通过共享电池组的方式，降低储能逆变器中电池组的使用占比，提高利用率，降低消耗成本。
附图说明
图1为实施例1的电路拓扑结构图。
图2(a)为实施例1的功率由UBAT流向UBUS时第一开关模态DC/DC电路等效拓扑结构图；
图2(b)为实施例1的功率由UBAT流向UBUS时第二开关模态DC/DC电路等效拓扑结构图；
图3(a)为实施例1的功率由UBUS流向UBAT时第一开关模态DC/DC电路等效拓扑结构图；
图3(b)为实施例1的功率由UBUS流向UBAT时第二开关模态DC/DC电路等效拓扑结构图；
图4为实施例1的功率由UBAT流向UBUS时对应的各开关管驱动波形图；
图5为实施例1的功率由UBUS流向UBAT时对应的各开关管驱动波形图；
图6为实施例1的为双向DC/DC共享电池组接入电路框架图；
图7为实施例1中台储能逆变器共电池组时实施例的DC/DC电路结构图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例
如图1所示，一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路，包括三个开关模块、能量存储/释放模块和电压平稳模块，其中，
所述的三个开关模块依次组成桥臂，通过三个开关模块控制双向DC/DC拓扑电路的工作状态；
所述的能量存储/释放模块用于存储/释放能量；
所述的电压平稳模块用于稳定电压；
连接关系包括以下：
所述的输入级的正极与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的能量存储/释放模块的另一端与桥臂中两个开关管的连接点电连接；
所述的输入级的负极与桥臂中另外两个开关管的连接点电连接；
所述的桥臂的一端与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的桥臂的另一端与能量存储/释放模块的另一端电连接；
所述的电压平稳模块的一端与输出级的正极电连接；
所述的电压平稳模块的另一端与输出级的负极电连接。
本实施例的占空比可以根据需要的功率流向进行任意调整，既能通过电池组升压给到直流母线，给负载供电；同时也能通过直流母线给电池充电，实现能量的双向流动，通过共享电池组的方式，降低储能逆变器中电池组的使用占比，提高利用率，降低消耗成本。
在实施例中，还可以进行以下扩展：开关模块是MOS管或者晶体管或者包括反相二极管的IGBT管。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：开关模块是包括反相二极管的IGBT管，其连接关系如下：
所述的第一IGBT管的集电极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与第二IGBT管的集电极电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与第三IGBT管的集电极电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与输入级的负极电连接；
所述的第三IGBT管的发射极与电压平稳模块的另一端电连接。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：能量存储/释放模块包括电感，所述的电感的一端定义为能量存储/释放模块的一端；所述的电感的另一端定义为能量存储/释放模块的另一端。
在实施例及上述改进实施例中，还可以进行以下扩展：电压平稳模块包括电容，所述的电容的一端定义为电压平稳模块的一端；所述的电容的另一端定义为电压平稳模块的另一端。
实施例2是基于实施例1的控制方法，实现BOOST升压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管闭合，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
输入级接入直流电，能量存储/释放模块存储能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块释放能量，提高电压平稳模块两端的电压，电压平稳模块保持输出电压的稳定，输出级接入母线，实现对母线电压UBUS的提高。
在实施例中，还可以进行以下扩展：实现BUCK降压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管断开，将第一开关管闭合，将第三开关管闭合；输入级接入母线，输出级接入电池组；
输入级通过能量存储/释放模块存储能量同时为输出级提供能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块对输出级提供能量，电压平稳模块保持输出电压稳定。
基于实施例1及改进实施例的具体应用场景：
3个开关管S1～S3采用相同的开关频率，第二个开关管S2与第一个开关管S1和第三个开关管S3互补导通。当第一个开关管S1和第三个开关管S3同时导通，则第二个开关管S2关断。通过控制第一个开关管S1和第二个开关管S2的开关频率以及占空比，来调节蓄电池组UBAT的充放电功率。
功率由UBAT流向UBUS：
功率由UBAT流向UBUS时第一开关模态：如图2(a)所示，第二开关管S2闭合，第一开关管S1和第三开关管S3关断。在该模态下，输入电压UBAT放电电流流过电感，反向二极管防止电容对地放电。此时蓄电池组UBAT工作在放电状态，由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。
功率由UBAT流向UBUS时第二开关模态：如图2(b)所示，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3同时关断，由于流过电感电流不能突变，电感通过新的回路释放电能，则电流流过电容为电容充电，电容两端电压升高，此时母线电压UBUS已经高于输入电压UBAT，升压完毕。功率由UBAT流向UBUS工作过程完成。
功率由UBAT流向UBUS时对应的各开关管驱动波形图如图4所示，此时实施例1及改进实施例相当于一个Boost电路。
功率由UBUS流向UBAT：
功率由UBUS流向UBAT时第一开关模态：如图3(a)所示，第一开关管S1和第三开关管S3闭合，第二开关管S2关断，母线电压UBUS放电流过电感，此时电能储存在电感的同时也为蓄电池组UBAT充电。
功率由UBUS流向UBAT时第二开关模态：如图3(b)所示，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关管S3关断，由于流过电感L的电流不能突变，电感L通过新的回路释放电能，从而对输出电池组UBAT提供能源，降压完毕。功率由UBUS流向UBAT工作过程完成。
功率由UBUS流向UBAT时对应的各开关管驱动波形图如图5所示，此时实施例1及改进实施例相当于一个Buck电路。
接入市电应用场景：
基于实施例1接入市电采用共用电池组方案框架如图6所示，市电正常时各台DC/DC变换器同时为蓄电池组充电，市电异常或者终断时，各DC/DC变换器同时利用电池组的能量逆变成交流电供给负载使用。具体拓扑结构图如图7所示，通过控制蓄电池组UBAT的充放电状态，其中UBUS1和UBUS2均有外部电路提供。
当UBUS1和UBUS2需要蓄电池组UBAT提供功率时，控制开关管使电路处于升压工作状态，能量由蓄电池组流入电网。当外界电网正常工作时，控制开关管使电路处于降压工作状态功率流入蓄电池组UBAT，为蓄电池组充电。
在上述具体实施方式的具体内容中，各技术特征可以进行任意不矛盾的组合，为使描述简洁，未对上述各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于三开关的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，包括输入级、三个开关模块、能量存储/释放模块和电压平稳模块，其中，
所述的三个开关模块依次组成桥臂，通过三个开关模块控制双向DC/DC拓扑电路的工作状态；
所述的能量存储/释放模块用于存储/释放能量；
所述的电压平稳模块用于稳定电压；
连接关系包括以下：
所述的输入级的正极与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的能量存储/释放模块的另一端与桥臂中两个开关模块的连接点电连接；
所述的输入级的负极与桥臂中另外两个开关模块的连接点电连接；
所述的桥臂的一端与能量存储/释放模块的一端电连接；
所述的桥臂的另一端与能量存储/释放模块的另一端电连接；
所述的电压平稳模块的一端与输出级的正极电连接；
所述的电压平稳模块的另一端与输出级的负极电连接。
2.根据权利要求1所述的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，所述的开关模块是MOS管或者晶体管或者包括反相二极管的IGBT管。
3.根据权利要求2所述的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，所述的开关模块是包括反相二极管的第一IGBT管、第二IGBT管和第三IGBT管，其连接关系如下：
所述的第一IGBT管的集电极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与第二IGBT管的集电极电连接；
所述的第一IGBT管的发射极与电压平稳模块的一端电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与第三IGBT管的集电极电连接；
所述的第二IGBT管的发射极与输入级的负极电连接；
所述的第三IGBT管的发射极与电压平稳模块的另一端电连接。
4.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，所述的能量存储/释放模块包括电感，所述的电感的一端定义为能量存储/释放模块的一端；所述的电感的另一端定义为能量存储/释放模块的另一端。
5.根据权利要求1至3中任一权利要求所述的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，所述的电压平稳模块包括电容，所述的电容的一端定义为电压平稳模块的一端；所述的电容的另一端定义为电压平稳模块的另一端。
6.根据权利要求4所述的双向DC/DC拓扑电路，其特征在于，所述的电压平稳模块包括电容，所述的电容的一端定义为电压平稳模块的一端；所述的电容的另一端定义为电压平稳模块的另一端。
7.基于权利要求1至6中任一权利要求所述的双向DC/DC拓扑电路地控制方法，其特征在于，实现BOOST升压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管闭合，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
输入级接入直流电，能量存储/释放模块存储能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块释放能量，提高电压平稳模块两端的电压，电压平稳模块保持输出电压的稳定，输出级接入母线，实现对母线电压的提高。
8.基于权利要求1至6中任一权利要求所述的双向DC/DC拓扑电路地控制方法，其特征在于，实现BUCK降压电路，包括以下步骤：
三个开关模块依次定义为第一开关管、第二开关管和第三开关管，将第二开关管断开，将第一开关管闭合，将第三开关管闭合；输入级接入母线，输出级接入电池组；
输入级通过能量存储/释放模块存储能量同时为输出级提供能量；
将第二开关管断开，将第一开关管断开，将第三开关管断开；
能量存储/释放模块对输出级提供能量，电压平稳模块保持输出电压稳定。
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