CN112865550A - 一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法，该变换器包括n个DAB变换器模块，n为大于等于2的整数，n个DAB模块的输入端并联接入直流微电网，输出端串联接入中压直流配电网；通过改变各DAB变换器模块的移相比，实现对输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率大小的控制；通过均压控制实现各DAB变换器模块的输出电压均衡。本发明提供的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法能够实现直流微网与中压直流配电网的互联，实现能量的双向流动，当DAB变换器模块间参数存在差异时，均压控制可实现各DAB变换器模块的输出电压均衡。

Description

一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法
说明书
一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是涉及的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法。
背景技术
太阳能等可再生能源成为解决能源短缺与环境污染的重要方式，光伏发电并入交流电网是长期以来的技术途径，但是增加了交直流变换环节，增加成本，降低效率。随着直流输配电系统的发展，将输出直流电的光伏发电并入直流电网在效率和经济性等方面都具有巨大优势，也受到广泛关注。由于接入光伏发电的直流微网电压较低，一般为380V左右；中压直流配电网电压较高，通常在10kV以上。单个变换器由于电压、电流应力的限制，无法满足将直流微网和中压直流配电网连接的要求。因此，多采用模块化串并联组合的结构，输入并联输出串联结构则正适用将含接入光伏发电的直流微网并入中压直流配电网的场合。
目前输入并联输出串联结构的DC/DC变换器均针对单向DC/DC变换器，无法满足功率双向流动的需求。而DAB变换器具有拓扑结构对称、能够实现能量双向流动等优点，可以通过改变移相角的大小和方向实现对功率传输的大小和方向的控制，因此对由DAB变换器模块组成输入并联输出串联系统的研究十分重要。对于输入并联输出串联的双有源桥变换器，各DAB变换器模块会因电感参数的差异不完全一致，传统的共同移相比控制无法实现各模块输出电压均衡，对于电感较小的模块容易导致过载的发生，不利于实现模块化。因此，对输入并联输出串联的双有源桥变换器的均压控制研究具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提出一种输入并联输出串联的双有源桥变换器及其控制方法，以实现直流微网与中压直流配电网的互联和能量双向流动，并通过均压控制实现当DAB变换器模块间参数存在差异时，各模块的输出电压均衡。
本发明采取的技术方案如下：
一种输入并联输出串联的双有源桥变换器，包括n个DAB变换器模块，n为大于等于2的整数，该n个DAB变换器模块输入端并联接入直流微网，输出端串联接入中压直流配电网；通过改变各DAB变换器模块的移相比，实现对输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率的大小的控制；通过均压控制实现各DAB变换器模块的输出电压均衡。
可选的，DAB变换器模块包括输入滤波电容C1、原边全桥电路、副边全桥电路以及输出滤波电容C2；DAB变换器模块原边全桥电路的输入端与输入滤波电容C1并联，然后并联接入直流微网；原边全桥电路与副边全桥电路通过高频变压器连接；副边全桥电路与输出滤波电容C2并联，然后串联接入中压直流配电网。
可选的，DAB变换器模块的原边全桥电路包括：第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4，辅助电感Li和高频变压器，开关管Si1～Si4均反并联一个二极管；第一开关管和第二开关管构成原边全桥电路的第一桥臂，第三开关管和第四开关管构成原边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点经过辅助电感Li与高频变压器原边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与原边绕组的另一端相连；
DAB变换器模块的副边全桥电路包括：第五开关管Si5、第六开关管Si6、第七开关管Si7、第八开关管Si8，开关管Si5～Si8均反并联一个二极管；第五开关管和第六开关管构成副边全桥电路的第一桥臂，第七开关管和第八开关管构成副边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点和副边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与副边绕组的另一端相连；i＝1,2，…，n。
可选的，DAB变换器模块的第一开关管Si1和第二开关管Si2的驱动波形互补且占空比均为50％，第三开关管Si3和第四开关管Si4的驱动波形互补且占空比均为50％；第一开关管Si1和第四开关管Si4的驱动波形一致，第二开关管Si2和第三开关管Si3的驱动波形一致；
第五开关管Si5和第六开关管Si6的驱动波形互补且占空比均为50％，第七开关管Si7和第八开关管Si8的驱动波形互补且占空比均为50％；第五开关管Si5和第八开关管Si8的驱动波形一致，第六开关管Si6和第七开关管Si7的驱动波形一致；
第一开关管Si1的驱动波形与第五开关管Si5的驱动波形间存在一个移相比，通过改变移相比的大小控制传输功率的大小和方向；i＝1,2，…，n。
本发明还提供一种适用于输入并联输出串联的双有源桥变换器的控制方法，包括以下步骤：
分别采样前n-1个DAB变换器模块的输出电压uoi，与输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo的1/n进行比较，通过均压控制器Gv得到修正移相比dsi；同时，采样输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo与参考电压uoref进行比较，经过Gv得到共同移相比dc；
分别将修正移相比dsi与共同移相比dc相加，得到前n-1个DAB变换器模块的移相比di；将前n-1个DAB变换器模块的修正移相比dsi相加，并与共同移相比dc作差，得到第n个DAB变换器模块的移相比dn；
各DAB变换器模块的移相比通过PWM控制得到开关管的驱动脉冲；i＝1,2,…,n-1。
进一步地，均压控制器Gv对DAB变换器模块的输出电压进行均压控制，实现每个DAB变换器模块的输出电压均衡。
进一步地，将驱动脉冲输入到相对应的DAB变换器模块的原边全桥电路的开关管Si1～Si4、副边全桥电路的开关管Si5～Si8的控制端，实现控制过程；i＝1,2,…,n。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
1)输入并联输出串联的双有源桥变换器可实现直流微网与中压直流配
电网的连接，实现电气隔离和能量的双向流动。
2)该控制方案中，当DAB变换器模块间参数存在差异时，仍可实现输出电压的均衡，且易于实现模块化。
3)本发明提出的输入并联输出串联的双有源桥变换器采用输入并联、输出串联，输入侧采用并联结构可以减小对开关管耐流应力的要求，输出侧采用串联结构可减小对开关管耐压应力的要求，减小成本，极好地适用于将含光伏发电的直流微网并入中压直流配电网的应用场合。
附图说明
图1是本发明提供的输入并联输出串联的双有源桥变换器的组成结构图；
图2是本发明中DAB变换器的电路拓扑图；
图3是本发明中DAB变换器单移相控制的开关管驱动脉冲及工作波形示意图；
图4是本发明提供的输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率图；
图5是本发明中输入并联输出串联的双有源桥变换器的均压控制框图；
图6是输入并联输出串联的双有源桥变换器在未均压控制时的DAB变换器模块的输出电压仿真波形；
图7是输入并联输出串联的双有源桥变换器在均压控制时的DAB变换器模块的输出电压仿真波形；
图8是输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压仿真波形。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和具体实施例对本发明的技术方案做更详细的说明。
图1所示为本发明提供的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器的组成结构图，包括n个DAB变换器模块，n为大于等于2的整数，该n个DAB变换器模块输入端并联接入直流微网，输出端串联接入中压直流配电网；通过改变各DAB变换器模块的移相比，实现对输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率的大小的控制；通过均压控制实现各DAB变换器模块的输出电压均衡。其中，输入电压为uin，输出电压为uo，各DAB变换器模块输出电压为uoi；i＝1,2，…，n。
DAB变换器模块包括输入滤波电容C1、原边全桥电路、副边全桥电路以及输出滤波电容C2；DAB变换器模块原边全桥电路的输入端与输入滤波电容C1并联，然后并联接入直流微网；原边全桥电路与副边全桥电路通过高频变压器连接；副边全桥电路与输出滤波电容C2并联，然后串联接入中压直流配电网。
DAB变换器模块的原边全桥电路包括：第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4，辅助电感Li和高频变压器，开关管Si1～Si4均反并联一个二极管；第一开关管和第二开关管构成原边全桥电路的第一桥臂，第三开关管和第四开关管构成原边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点经过辅助电感Li与高频变压器原边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与原边绕组的另一端相连。DAB变换器模块的副边全桥电路包括：第五开关管Si5、第六开关管Si6、第七开关管Si7、第八开关管Si8，开关管Si5～Si8均反并联一个二极管；第五开关管和第六开关管构成副边全桥电路的第一桥臂，第七开关管和第八开关管构成副边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点和副边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与副边绕组的另一端相连；i＝1,2，…，n。
DAB变换器模块的第一开关管Si1和第二开关管Si2的驱动波形互补且占空比均为50％，第三开关管Si3和第四开关管Si4的驱动波形互补且占空比均为50％；第一开关管Si1和第四开关管Si4的驱动波形一致，第二开关管Si2和第三开关管Si3的驱动波形一致；第五开关管Si5和第六开关管Si6的驱动波形互补且占空比均为50％，第七开关管Si7和第八开关管Si8的驱动波形互补且占空比均为50％；第五开关管Si5和第八开关管Si8的驱动波形一致，第六开关管Si6和第七开关管Si7的驱动波形一致；第一开关管Si1的驱动波形与第五开关管Si5的驱动波形间存在一个移相比，通过改变移相比的大小控制传输功率的大小和方向；i＝1,2，…，n。
图2所示为第一个模块DAB变换器的电路拓扑图，其中，uab为原边全桥电路的输出电压，ucd为副边全桥电路的输出电压。图3为第一个模块DAB变换器单移相控制的开关管驱动脉冲及工作波形示意图，其中，Ths为半个开关周期，uL为电感电压，iL为电感电流。根据单移相控制的脉冲时序，DAB变换器的一个开关周期可分为4个阶段t0～t4。
设移相比为D，根据DAB变换器在单移相控制下传输功率的计算公式，可得：
Figure BDA0003015051860000031
其中，Ps为第一个DAB变换器模块的传输功率，f为开关频率。
当各DAB变换器模块电感间参数和移相比一致时，L为电感，对于输入并联输出串联的双有源桥变换器，可得其传输功率为：
Figure BDA0003015051860000032
图4为本发明提供的输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率图，对于输入并联输出串联的双有源桥变换器的最大传输功率Pmax在D＝0.5处取得，且最大值为：
Figure BDA0003015051860000041
由图4可见，通过改变输入并联输出串联的双有源桥变换器的原边全桥电路和副边全桥电路之间的移相比D，便可以控制传输功率的大小和方向，进而完成对输出电压的调节。
一种适用于输入并联输出串联的双有源桥变换器的均压控制框图如图5所示，包括以下步骤：
分别采样前n-1个DAB变换器模块的输出电压uoi，与输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo的1/n进行比较，通过均压控制器Gv得到修正移相比dsi；同时，采样输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo与参考电压uoref进行比较，经过Gv得到共同移相比dc；
分别将修正移相比dsi与共同移相比dc相加，得到前n-1个DAB变换器模块的移相比di；将前n-1个DAB变换器模块的修正移相比dsi相加，并与共同移相比dc作差，得到第n个DAB变换器模块的移相比dn；
各DAB变换器模块的移相比通过PWM控制得到开关管的驱动脉冲；i＝1,2,…,n-1。
具体地，将驱动脉冲输入到相对应的DAB变换器模块的原边全桥电路的开关管Si1～Si4、副边全桥电路的开关管Si5～Si8的控制端，实现控制过程；i＝1,2,…,n。
实施例：
下面以26个模块组成的输入并联输出串联的双有源桥变换器为例，结合仿真验证输入并联输出串联的双有源桥变换器的均压控制。仿真参数如下：
仿真主要参数
Figure BDA0003015051860000042
为体现模块间存在差异，电感依次从148μH～173μH取值，由于模块数量较多，仅展示第1、13、26个模块的DAB变换器的波形。
本实施例的输入并联输出串联的双有源桥变换器未均压控制的DAB变换器模块的输出电压仿真波形如图6所示，输入并联输出串联的双有源桥变换器均压控制的DAB变换器模块的输出电压仿真波形如图7所示，输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压波形如图8所示。从图中可以看出，当DAB变换器模块间参数存在差异时，均压控制能使各DAB变换器模块的输出电压保持均衡，实现功率平衡，同时输出电压也能达到稳定值。

Claims (7)

1.一种输入并联输出串联的双有源桥变换器，其特征在于：包括n个DAB变换器模块，n为大于等于2的整数，该n个DAB变换器模块输入端并联接入直流微网，输出端串联接入中压直流配电网；通过改变各DAB变换器模块的移相比，实现对输入并联输出串联的双有源桥变换器的传输功率的大小的控制；通过均压控制实现各DAB变换器模块的输出电压均衡。
2.根据权利要求1所述的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器，其特征在于：DAB变换器模块包括输入滤波电容C1、原边全桥电路、副边全桥电路以及输出滤波电容C2；DAB变换器模块原边全桥电路的输入端与输入滤波电容C1并联，然后并联接入直流微网；原边全桥电路与副边全桥电路通过高频变压器连接；副边全桥电路与输出滤波电容C2并联，然后串联接入中压直流配电网。
3.根据权利要求2所述的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器，其特征在于：DAB变换器模块的原边全桥电路包括：第一开关管Si1、第二开关管Si2、第三开关管Si3、第四开关管Si4，辅助电感Li和高频变压器，开关管Si1～Si4均反并联一个二极管；第一开关管和第二开关管构成原边全桥电路的第一桥臂，第三开关管和第四开关管构成原边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点经过辅助电感Li与高频变压器原边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与原边绕组的另一端相连；
DAB变换器模块的副边全桥电路包括：第五开关管Si5、第六开关管Si6、第七开关管Si7、第八开关管Si8，开关管Si5～Si8均反并联一个二极管；第五开关管和第六开关管构成副边全桥电路的第一桥臂，第七开关管和第八开关管构成副边全桥电路的第二桥臂；第一桥臂的中点和副边绕组同名端相连，第二桥臂的中点与副边绕组的另一端相连；i＝1,2，…，n。
4.根据权利要求3所述的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器，其特征在于：DAB变换器模块的第一开关管Si1和第二开关管Si2的驱动波形互补且占空比均为50％，第三开关管Si3和第四开关管Si4的驱动波形互补且占空比均为50％；第一开关管Si1和第四开关管Si4的驱动波形一致，第二开关管Si2和第三开关管Si3的驱动波形一致；
第五开关管Si5和第六开关管Si6的驱动波形互补且占空比均为50％，第七开关管Si7和第八开关管Si8的驱动波形互补且占空比均为50％；第五开关管Si5和第八开关管Si8的驱动波形一致，第六开关管Si6和第七开关管Si7的驱动波形一致；
第一开关管Si1的驱动波形与第五开关管Si5的驱动波形间存在一个移相比，通过改变移相比的大小控制传输功率的大小和方向；i＝1,2，…，n。
5.一种适用于输入并联输出串联的双有源桥变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
分别采样前n-1个DAB变换器模块的输出电压uoi，与输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo的1/n进行比较，通过均压控制器Gv得到修正移相比dsi；同时，采样输入并联输出串联的双有源桥变换器的输出电压uo与参考电压uoref进行比较，经过Gv得到共同移相比dc；
分别将修正移相比dsi与共同移相比dc相加，得到前n-1个DAB变换器模块的移相比di；将前n-1个DAB变换器模块的修正移相比dsi相加，并与共同移相比dc作差，得到第n个DAB变换器模块的移相比dn；
各DAB变换器模块的移相比通过PWM控制得到开关管的驱动脉冲；i＝1,2,…,n-1。
6.根据权利要求5所述的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器的控制方法，其特征在于：均压控制器Gv对DAB变换器模块的输出电压进行均压控制，实现每个DAB变换器模块的输出电压均衡。
7.根据权利要求5所述的一种输入并联输出串联的双有源桥变换器的控制方法，其特征在于：将驱动脉冲输入到相对应的DAB变换器模块的原边全桥电路的开关管Si1～Si4、副边全桥电路的开关管Si5～Si8的控制端，实现控制过程；i＝1,2,…,n。
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