CN113193757A - 一种三端口dc-dc变换器拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三端口DC‑DC变换器拓扑结构及其控制方法，所述三端口DC‑DC变换器拓扑结构包括：一个输入端口，两个输出端口；所述一个输入端口结构为MMC电路，用于承受中压直流电网的高电压；MMC电路有两相，每相均由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂均包含n个结构相同的子模块，每个子模块均采用半桥型子模块拓扑结构；所述两个输出端口结构为DAB电路，包括第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路；其中，输入端口和输出端口由隔离变压器连接。本发明的三端口DC‑DC变换器拓扑结构，可实现MVDC侧到LVDC侧的能量传输；能够降低电压变化率，减小瞬时电压对开关的冲击，实现稳定的功率传输；降低各相环流，减小功率损耗。

Description

一种三端口DC-DC变换器拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明属于中低压DC-DC变换器拓扑与控制技术领域，特别涉及一种三端口DC-DC变换器拓扑结构及其控制方法。
背景技术
非隔离多端口DC-DC变换器由于其工作可靠性高、使用方便等特点而备受关注，它起源于基本的升压电路，可以扩展到多模块结构，但由于受限于传输功率的大小和方向，这种拓扑只能在低压情况下使用。一些研究者引入高频变压器(HFT)来建立一次侧和二次侧之间的电隔离；不可否认，高频交易提高了功率密度，实现了功率的双向传输，克服了非隔离电路的一些缺点。
根据不同端口的特点，隔离的多端口DC-DC拓扑有多种类型；考虑到电压水平，选择模块化多电平变流器作为输入，实现中压直流(MVDC)侧到低压直流(LVDC)侧的能量传输；由于其子模块众多，考虑控制的复杂性和效率是十分必要的，子模块的插入和旁路会导致巨大的电压变化率和巨大的功率损耗。
综上，亟需一种新型的三端口DC-DC变换器拓扑结构及其控制方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三端口DC-DC变换器拓扑结构及其控制方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明的三端口DC-DC变换器拓扑结构，可实现MVDC侧到LVDC侧的能量传输；能够降低电压变化率，减小瞬时电压对开关的冲击，实现稳定的功率传输；降低各相环流，减小功率损耗。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，包括：一个输入端口，两个输出端口；
所述一个输入端口结构为MMC电路，用于承受中压直流电网的高电压；MMC电路有两相，每相均由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂均包含n个结构相同的子模块，每个子模块均采用半桥型子模块拓扑结构；
所述两个输出端口结构为DAB电路，包括第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路；
其中，输入端口和输出端口由隔离变压器连接。
本发明的进一步改进在于，所述MMC电路中的每个桥臂均连接有电感。
本发明的进一步改进在于，每个桥臂中的每个子模块均并联有直流储能电容。
本发明的进一步改进在于，还包括：
电感L1，用于MMC电路与高频变压器一次侧绕组的连接；
电感L2，用于第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间的连接；
电感L3，用于第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间的连接。
本发明的进一步改进在于，MMC电路和DAB电路中的开关器件均为IGBT。
本发明的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
一次侧采用载波相移脉宽调制，产生五电平电压波形；
二次侧电压与一次侧电压间存在相位差，二次侧两个DAB输出电压与一次侧电压相位差保持一致，通过调节一次侧电压与二次侧电压之间的相位，实现电力传输；
其中，输入端口为一次侧，输出端口为二次侧。
本发明的进一步改进在于，还包括：采用均压控制作为外环控制，环流抑制控制作为内环控制的控制策略。
本发明的进一步改进在于，所述采用均压控制作为外环控制，环流抑制控制作为内环控制的控制策略，以降低环流的步骤具体包括：
步骤1，一次侧的两相为A相和B相；采集一次侧各桥臂电流，A相上桥臂电流iupper-a与A相下桥臂电流ilower-a之和的一半为A相环流icir-a；B相上桥臂电流iupper-b与B相下桥臂电流ilower-b之和的一半为B相环流icir-b；
步骤2，采集一次侧A相、B相电容电压Vcsmi-A、Vcsmi-B；将A相电容电压Vcsmi-A与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-A *为参考环流；将B相电容电压Vcsmi-B与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-B *为参考环流；
步骤3，将A相参考环流icir-A *与环流icir-a作差，作为内环PI调节器输入；将B相参考环流icir-B *与环流icir-b作差，作为内环PI调节器输入；两内环PI调节器输出加和之后除以2n＝N得到参考电容电压VCi *。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的三端口DC-DC变换器拓扑结构中，输入端口为MMC结构，输出端口为H桥结构；对于MMC侧，可通过改进的CPS-PWM调制，一次侧可以产生五电平电压波形，降低电压变化率，减小瞬时电压对开关的冲击，实现稳定的功率传输；整个拓扑结构采用单相移相调制来控制不同端口之间的功率流。
本发明所提出的控制方案选择电容电压作为外环产生环流的参考值，选择环流作为内环，能够有效降低环流带来的功率损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构的结构示意图；
图2是本发明实施例中，一次侧产生的五电平电压波形示意图；
图3是本发明实施例中，二次侧产生的方波电压波形示意图；
图4是本发明实施例的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构的控制方法的流程示意图；
图5是本发明实施例中，抑制换流前的各相环流示意图；
图6是本发明实施例中，抑制换流后的各相环流示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，共包括3个端口，一个输入端口，两个输出端口；其中，输入端口结构为MMC，可以承受MVDC电网的高电压。一次侧有A、B两相，每相由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包含4个结构相同的子模块，每个子模块采用半桥型子模块的拓扑结构。输入端和输出端由高频隔离变压器连接。两个输出端口结构为DAB拓扑，分别连接电阻R1、R2。
中压侧MMC拓扑中的每个桥臂均连接有电感，以抑制桥臂电流的动态振荡，每个桥臂中的每个子模块均并联有直流储能电容。电感L1，用于MMC电路与高频变压器一次侧绕组的连接；电感L2，用于第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间的连接；电感L3，用于第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间的连接。
如图2所示，该拓扑一次侧产生了一个五电平电压。
如图3所示，MMC的五电平电压与两个不同DAB端口的平方电压的相位差保持一致。随后，这两个DAB输出端口之间不进行电源交换。同时，H桥内部没有内部的相移占空比，所以这两个H桥的交流等效电压是方波电压波形。
本发明的控制方案如图4所示，由于环流会导致较大的功率损耗，为了降低环流，采用了一种相应的控制方案，该控制方案包含均压控制和环流抑制控制，均压控制作为外环控制，环流抑制控制作为外环控制。该控制方案包括以下步骤：
步骤1，采集一次侧各桥臂电流，A相上桥臂电流iupper-a与A相下桥臂电流ilower-a之和的一半为A相环流icir-a；B相上桥臂电流iupper-b与B相下桥臂电流ilower-b之和的一半为B相环流icir-b；
步骤2，采集一次侧A、B相电容电压Vcsmi-A、Vcsmi-B；将A相电容电压Vcsmi-A与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-A *为参考环流；将B相电容电压Vcsmi-B与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-B *为参考环流；
步骤3，将A相参考环流icir-A *与环流icir-a作差，作为内环PI调节器输入；将B相参考环流icir-B *与环流icir-b作差，作为内环PI调节器输入；两内环PI调节器输出加和之后除以2n＝N得到参考电容电压VCi *。
本发明实施例中，在MATLAB中设置该系统仿真参数：输入电压3300V，输出电压都为200V，该拓扑一次侧MMC结构各桥臂均有4个子模块，两条母线上的负载均为200Ω，三绕组变压器变比为1：1：1。
本发明实施例的仿真实验中，一次侧采用图4所示的控制方案。
仿真结果如图5和图6所示。图5左图为抑制环流前A相环流随时间变化曲线，图5右图为抑制环流前B相环流随时间变化曲线。图6左图为抑制环流后A相环流随时间变化曲线，图6右图为抑制环流后B相环流随时间变化曲线。对比图5与图6的左图，发现环流抑制后A相环流最大值从50降低到0.05。对比图5与图6的右图，发现环流抑制后B相环流最大值从50降低到0.05。由此可知，采用本发明的控制方法可以有效降低各组环流，降低功率损耗，验证了本发明的控制方法的有效性与正确性。
综上所述，本发明实施例的一种基于改进型载波移相控制的三端口DC-DC变换器新型拓扑结构，该结构由一次侧的模块化多电平变换器和二次侧的双H桥组成。一次侧有两相，每相由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂包含n个结构相同的子模块，每个子模块采用半桥型子模块的拓扑结构。输入端和输出端由高频隔离变压器连接。两个输出端口结构为DAB拓扑，分别定义为H1桥和H2桥。在载波移相调制的基础上，一次侧产生五电平波形，以减小瞬时电压对开关的冲击，实现稳定的功率传输。由于环流会导致较大的功率损耗，为了降低环流，采用了一种相应的控制方案，该控制方案包含均压控制和环流抑制控制，选择电容电压作为外环产生环流的参考值，选择环流作为内环，可以有效降低环流带来的功率损耗。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，包括：一个输入端口，两个输出端口；
所述一个输入端口结构为MMC电路，用于承受中压直流电网的高电压；MMC电路有两相，每相均由上桥臂和下桥臂组成，每个桥臂均包含n个结构相同的子模块，每个子模块均采用半桥型子模块拓扑结构；
所述两个输出端口结构为DAB电路，包括第一低压侧DC/AC全桥电路和第二低压侧DC/AC全桥电路；
其中，输入端口和输出端口由隔离变压器连接。
2.根据权利要求1所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，所述MMC电路中的每个桥臂均连接有电感。
3.根据权利要求1所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，每个桥臂中的每个子模块均并联有直流储能电容。
4.根据权利要求1所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，还包括：
电感L1，用于MMC电路与高频变压器一次侧绕组的连接；
电感L2，用于第一低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第一绕组之间的连接；
电感L3，用于第二低压侧DC/AC全桥电路与高频变压器二次侧第二绕组之间的连接。
5.根据权利要求1所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构，其特征在于，MMC电路和DAB电路中的开关器件均为IGBT。
6.一种权利要求1所述的三端口DC-DC变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
一次侧采用载波相移脉宽调制，产生五电平电压波形；
二次侧电压与一次侧电压间存在相位差，二次侧两个DAB输出电压与一次侧电压相位差保持一致，通过调节一次侧电压与二次侧电压之间的相位，实现电力传输；
其中，输入端口为一次侧，输出端口为二次侧。
7.根据权利要求6所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，还包括：采用均压控制作为外环控制，环流抑制控制作为内环控制的控制策略。
8.根据权利要求7所述的一种三端口DC-DC变换器拓扑结构的控制方法，其特征在于，所述采用均压控制作为外环控制，环流抑制控制作为内环控制的控制策略，以降低环流的步骤具体包括：
步骤1，一次侧的两相为A相和B相；采集一次侧各桥臂电流，A相上桥臂电流iupper-a与A相下桥臂电流ilower-a之和的一半为A相环流icir-a；B相上桥臂电流iupper-b与B相下桥臂电流ilower-b之和的一半为B相环流icir-b；
步骤2，采集一次侧A相、B相电容电压Vcsmi-A、Vcsmi-B；将A相电容电压Vcsmi-A与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-A *为参考环流；将B相电容电压Vcsmi-B与参考电容电压VCi *作差，作为外环PI调节器的输入，输出icir-B *为参考环流；
步骤3，将A相参考环流icir-A *与环流icir-a作差，作为内环PI调节器输入；将B相参考环流icir-B *与环流icir-b作差，作为内环PI调节器输入；两内环PI调节器输出加和之后除以2n＝N得到参考电容电压VCi *。
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