CN114142728A - 一种交错并联型双向dc-dc变换器 - Google Patents

一种交错并联型双向dc-dc变换器 Download PDF

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万月
吕贝
张明杰
王献文
孟欣
梁勇
易立坤
王学平
鲁谟尔
赵广赫
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Huaneng Clean Energy Research Institute
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Abstract

本申请公开了一种交错并联型双向DC‑DC变换器，包括用于连接直流电网的高压输入输出端、用于连接储能系统的低压输入输出端和控制器，还包括第一极性电容、第极性二电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，控制信号用于控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和/或第四开关管关断或闭合，使其以Buck模式或者Boost模式工作，这样能够将直流电网的电能输入储能系统或者将储能系统的电能反馈回直流电网，实现了将直流电网与储能系统的连接，提高了直流电网的供电稳定性。

Description

一种交错并联型双向DC-DC变换器
技术领域
本申请涉及电力装备技术领域，更具体地说，涉及一种交错并联型双向DC-DC变换器。
背景技术
在能源转型及节能减排的趋势下，可再生能源发展迅速。在此情况下各个国家均大力推广可再生清洁能源，并部署以电动汽车为代表的新能源汽车产业链，从而降低对传统化石能源依赖，以实现降低碳排放的目的。光伏系统、风能系统作为新可再生清洁能源的重要组成部分，其发电受环境气候影像较大，导致其发电量波动较大，对直流电网容易造成冲击，影响直流电网的供电稳定性，为直流电网的调控及能量调度带来诸多挑战。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种交错并联型双向DC-DC变换器，用于实现直流电网与储能系统的连接。
为了实现上述目的，现提出的方案如下：
一种交错并联型双向DC-DC变换器，用于实现直流电网与储能系统的连接，所述交错并联型双向DC-DC变换器包括用于连接所述直流电网的高压输入输出端、用于连接所述储能系统的低压输入输出端和控制器，还包括第一极性电容、第二极性电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：
所述低压输入输出端的正极分别与所述第一极性电容的正极、所述第一电感的一端、所述第二电感的一端连接，所述低压输入输出端的负极分别与所述第一电感的一端、所述第一开关管的一端、所述第三开关管的一端、所述第二极性电容的负极、所述高压输入输出端的负极连接；
所述第一电感的另一端分别与所述第二开关管的一端、所述第一开关管的另一端连接；
所述第二电感的另一端分别与所述第四开关管的一端、所述第三开关管的另一端连接；
所述高压输入输出端的正极分别与所述第二开关管的另一端、所述第四开关管的另一端、所述第二极性电容的正极连接；
所述控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，所述控制信号用于控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和/或所述第四开关管关断或闭合。
可选的，所述交错并联型双向DC-DC变换器用于按Buck模式工作或按Boost模式工作。
可选的，所述第一开关管和所述第三开关管构成第一支路，所述第二开关管和所述第四开关管构成第二支路，当所述交错并联型双向DC-DC变换器按所述Buck模式工作时，所述第一支路和所述第二支路按相同工作模式工作，且两者相位不同。
可选的，当所述交错并联型双向DC-DC变换器按所述Boost模式工作时，所述第一开关管和所述第三开关管在所述控制信号驱动下实现导通或闭合，所述第二开关管和所述第四开关管用于实现续流作用。
可选的，所述控制器基于电压电流闭环控制方法对所述交错并联型双向DC-DC变换器进行控制，包括电压控制环和电流控制环。
可选的，所述电压控制环采用比例积分控制机制实现。
可选的，所述电压控制环采用所述交错并联型双向DC-DC变换器的输出电压作为反馈电压信号。
可选的，所述电流控制环采用线性自抗扰控制机制实现。
可选的，所述电流控制环采用所述交错并联型双向DC-DC变换器的电感电流作为反馈电流信号。
从上述的技术方案可以看出，本申请公开了一种交错并联型双向DC-DC变换器，包括用于连接直流电网的高压输入输出端、用于连接储能系统的低压输入输出端和控制器，还包括第一极性电容、第极性二电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，控制信号用于控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和/或第四开关管关断或闭合，使其以Buck模式或者Boost模式工作，这样能够将直流电网的电能输入储能系统或者将储能系统的电能反馈回直流电网，实现了将直流电网与储能系统的连接，提高了直流电网的供电稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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为本申请提供的一种实施例的结构图；
图2为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时的等效开关电路图；
图3a为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时在开关合到1时的等效电路图；
图3b为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时在开关合到2时的等效电路图；
图3c为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时Buck等效电路在二极管反向偏置时的等效电路图；
图4为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在断续模式下电感电压与电流波形图；
图5为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时的电感电压和电流波形；
图6a为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Boost模式下的等效开关模型；
图6b为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Boost模式下的交流小信号模型；
图6c为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Boost模式下的交流小信号模型；
图7为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Buck模式时的等效电路模型；
图8为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在Boost模式时的等效电路模型；
图9为本申请实施例的控制器的控制原理图；
图10为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在稳态条件下Buck模式/Boost模式的输出波形；
图11为本申请实施例的交错并联型双向DC-DC变换器在动态条件下Buck模式/Boost模式的输出波形。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
实施例一
图1为本申请实施例的一种交错并联型双向DC-DC变换器的电路图。
如图1所示，本实施例提供的DC-DC变换器用于实现直流电网与储能系统之间的连接，用于将直流电网中多余的电能输出到该储能系统中进行储存，在直流电网负荷较大时将储能系统中的电能转输到直流电网中用于平抑负荷。其包括低压输入输出端UL和高压输入输出端UH，该高压输入输出端用于连接直流电网，低压输入输出端用于连接储能系统。
另外，该交错并联型双向DC-DC变换器由第一极性电容C1、第二极性电容C2、第一电感L1、第二电感L2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4和控制器100。
低压输入输出端的正极分别与第一极性电容的正极、第一电感的一端、第二电感的一端连接，低压输入输出端的负极分别与第一电感的一端、第一开关管的一端、第三开关管的一端、第二极性电容的负极、高压输入输出端的负极连接；
第一电感的另一端分别与第二开关管的一端、第一开关管的另一端连接；第二电感的另一端分别与第四开关管的一端、第三开关管的另一端连接；高压输入输出端的正极分别与第二开关管的另一端、第四开关管的另一端、第二极性电容的正极连接；
控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，控制信号用于控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和/或第四开关管关断或闭合。即通过对四个开关管的控制，使得该变换器根据需要按Buck模式或者Boost模式工作。
第一开关管和第三开关管构成第一支路，第二开关管和第四开关管构成第二支路，当交错并联型双向DC-DC变换器按Buck模式工作时，第一支路和第二支路按相同工作模式工作，且两者相位不同。当交错并联型双向DC-DC变换器按Boost模式工作时，第一开关管和所述第三开关管在控制信号驱动下实现导通或闭合，第二开关管和第四开关管不接受任何控制信号，用于实现续流作用。
从上述技术方案可以看出，本实施例提供了一种交错并联型双向DC-DC变换器，包括用于连接直流电网的高压输入输出端、用于连接储能系统的低压输入输出端和控制器，还包括第一极性电容、第极性二电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管。控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，控制信号用于控制第一开关管、第二开关管、第三开关管和/或第四开关管关断或闭合，使其以Buck模式或者Boost模式工作，这样能够将直流电网的电能输入储能系统或者将储能系统的电能反馈回直流电网，实现了将直流电网与储能系统的连接，提高了直流电网的供电稳定性。
为了实现对控制器的设计，我们首先对上述电路的工作原理进行分析，当上述变换器工作在Buck模式时，并联的两条支路工作模式完全相同，仅相位不同，因此可以等效为一条通路，便于对电路进行分析。将Buck电路中的开关管等效成按周期导通断开的开关，如图2所示。
当开关管导通，开关合到1，从电源UH流出的电流经过电感分别流向电容与电阻，如图3a所示；当开关管断开，此时开关合到2，二极管续流，电感中仍然存在能量，电感电流无法突变，此时电感起到类似电源的作用，电流分别流向电容与电阻再由二极管回到电感构成回路，图3b；当开关管仍然截止，二极管反向偏置，电容与电阻形成回路，直至能量耗尽，电路电流降为0，图3c所示。
根据Buck电路的等效开关闭合与断开时的等效电路图，通过对图中的电路分析，可以得到支路电感在各状态下的电流与电压波形，如图4所示。由于本文研究的交错并联型Buck电路，支路工作电流工作在断续模式，但总电路电流处于连续模式，因此该电路同时具有DCM及CCM的特点，得到电感电压与电流波形如图5所示。
当本申请的变换器工作在Boost工作模式时，与Buck相似，控制器分别给Q1、Q3开关管门极信号，控制开关管导通或关断，Q2、Q4无门极信号，两端并联的D2、D4起到续流作用，因此该模式也可分为以下六个工作模态，分析过程与Buck模式相同，可得到Boost模式下等效开关模型与交流小信号模型，如图6a、图6b和图6c所示。
该变换器在boost模式下时，交流小信号理想电压电流源组合模型如图8所示。
在上述分析的基础上，首先按照状态平均法对上述变换器建模，状态平均法的主要思想是将离散的变量在时间上做平均，而针对DC-DC变换器的状态空间平均法建模是基于电路中电感与电容器件在一个完整的开关周期内导通、关断两种状态下建立的状态方程。状态空间方程将离散的开关变量变成了连续的占空比，使得DC-DC变换器变为统一的状态方程。
本申请基于该统一的状态方程建立本申请实施例中的控制器，该控制器原理图如图9所示。与前文建立的两种控制模型相似，本申请的控制器采用电压电流双闭环控制，作为外环的电压环采用PI控制，作为内环的电流环采用线性自抗扰控制，线性自抗扰控制具有极强的抗干扰性，尤其对于电源干扰，具有极强的鲁棒性，从而使得。
其中，Uref为电压环参考电压，iref为电流环参考电压，Uout与iL分别为变换器输出电压与电感电流，Gm(s)为PWM脉宽调制器传递函数，Gid(s)为控制信号如何影响电感电流的传递函数，Gvi(s)是电感电流到直流母线电压的传递函数，Hi(s)与Hv(s)分别表示电流反馈环节与电压反馈环节。
根据前文分析，采用电压电流双闭环控制策略。外环电压环采用PI控制方法，给定参考电压Uref与双向变换器输出电压Uout之差作为PI控制器的输入，经过比例积分调控后，输出为电流环参考电流iiref；内环电流环采用线性自抗扰控制策略，微分跟踪器的输入为参考电流iref，经过微分跟踪器作用，输出跟踪信号x1与微分信号x2。扩张状态观测器的输入为电感电流，经过扩张观测器后，输出电感电流的跟踪信号z1，电感电流的微分信号z2，扰动信号和z3。微分跟踪器输出的跟踪信号x1与微分信号x2分别与扩张观测器的跟踪信号z1，微分信号z2做差，得到电感电流误差e1与微分信号误差e2，误差作为线性控制器的输入，输出控制信号u0，与扩张观测器输出的扰动信号做差后最终得到控制信号u。
在仿真软件中搭建基于线性自抗扰控制策略的交错并联型双向DC-DC变换器仿真模型，分别模拟蓄电池充电与放电工作状态。
令双向DC-DC变换器分别工作在Buck模式下与Boost模式下，观察稳态工作条件下，直流母线电压与蓄电池两端电压波形。从图10可以看出，线性自抗扰控制方法能够对双向DC-DC变换器实现有效的控制，Buck模式与Boost模式下，双向DC-DC变换器输出响应极快，没有超调，调节时间在0.01s以内。电压输出分别为28V与48V，没有稳态误差。验证了线性自抗扰控制策略的有效性，能够使稳定蓄电池两端充电电压，也能够使直流母线电压维持在额定值。
另外，分别在0.1s、0.2s、0.3s向低压输入输出端加+9.6V(20％)、-9.6V(20％)、+18.2V(40％)的电源扰动，0.4s时刻撤去扰动。由图11可以看出，当光伏发电系统受到电源干扰时，在线性自抗扰控制器的作用下，输出电压几乎没有波动，抗干扰性能极强，即便是进行40％的电源扰动，双向DC-DC变换器输出也十分稳定，
分别在0.5s、0.7s向光伏发电系统负载端加入负载扰动，加入扰动后系统总负载分别为额定负载的一半与两倍，0.8s时刻撤去扰动。由图10可以看出，负载突增或突减时，双向DC-DC变换器输出电压波动极小，能够在较短时间内恢复额定输出。
本次研究分析的能对交错并联型双向DC-DC变换器有效控制，具有较快的响应速度及较强的抗干扰能力。从输出波形图可以看出，线性自抗扰控制方法响应速度快并且抗干扰性能极强，适用于新能源发电等输入波动较大的场合。
实验结果与仿真结果相同，相比较于普通型结构，交错并联型结构的电路利用交错导通的特性，将波峰波谷值相互抵消，输出电流、电压纹波约降低80％。
线性自抗扰控制策略抗干扰性能针对本次实验，在不同程度的扰动条件下，线性自抗扰控制策略能够将输出波动控制在10％以内，恢复时间控制在0.1s内。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
本领域内的技术人员应明白，本发明实施例的实施例可提供为方法、装置、或计算机程序产品。因此，本发明实施例可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明实施例可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明实施例是参照根据本发明实施例的方法、终端设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理终端设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理终端设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理终端设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理终端设备上，使得在计算机或其他可编程终端设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程终端设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明实施例范围的所有变更和修改。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的技术方案进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种交错并联型双向DC-DC变换器，用于实现直流电网与储能系统的连接，其特征在于，所述交错并联型双向DC-DC变换器包括用于连接所述直流电网的高压输入输出端、用于连接所述储能系统的低压输入输出端和控制器，还包括第一极性电容、第二极性电容、第一电感、第二电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中：
所述低压输入输出端的正极分别与所述第一极性电容的正极、所述第一电感的一端、所述第二电感的一端连接，所述低压输入输出端的负极分别与所述第一电感的一端、所述第一开关管的一端、所述第三开关管的一端、所述第二极性电容的负极、所述高压输入输出端的负极连接；
所述第一电感的另一端分别与所述第二开关管的一端、所述第一开关管的另一端连接；
所述第二电感的另一端分别与所述第四开关管的一端、所述第三开关管的另一端连接；
所述高压输入输出端的正极分别与所述第二开关管的另一端、所述第四开关管的另一端、所述第二极性电容的正极连接；
所述控制器基于线性自抗扰控制原理输出控制信号，所述控制信号用于控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管和/或所述第四开关管关断或闭合。
2.如权利要求1所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述交错并联型双向DC-DC变换器用于按Buck模式工作或按Boost模式工作。
3.如权利要求2所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一开关管和所述第三开关管构成第一支路，所述第二开关管和所述第四开关管构成第二支路，当所述交错并联型双向DC-DC变换器按所述Buck模式工作时，所述第一支路和所述第二支路按相同工作模式工作，且两者相位不同。
4.如权利要求2所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，当所述交错并联型双向DC-DC变换器按所述Boost模式工作时，所述第一开关管和所述第三开关管在所述控制信号驱动下实现导通或闭合，所述第二开关管和所述第四开关管用于实现续流作用。
5.如权利要求1～4任一项所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述控制器基于电压电流闭环控制方法对所述交错并联型双向DC-DC变换器进行控制，包括电压控制环和电流控制环。
6.如权利要求5所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述电压控制环采用比例积分控制机制实现。
7.如权利要求6所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述电压控制环采用所述交错并联型双向DC-DC变换器的输出电压作为反馈电压信号。
8.如权利要求5所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述电流控制环采用线性自抗扰控制机制实现。
9.如权利要求8所述的交错并联型双向DC-DC变换器，其特征在于，所述电流控制环采用所述交错并联型双向DC-DC变换器的电感电流作为反馈电流信号。
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CN108521218A (zh) * 2018-04-24 2018-09-11 中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 适用于多种储能元件的双向交错式dc/dc变换器装置
CN108551258A (zh) * 2018-03-28 2018-09-18 安徽工程大学 一种蓄电池用双向dc-dc变换器的rbf网络监督系统及方法
CN113541490A (zh) * 2021-07-02 2021-10-22 中国北方车辆研究所 交错双向Buck/Boost电路软开关PWM‐PFM控制系统及控制方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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Non-Patent Citations (1)

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付建哲: "直流微电网内双向ＤＣ－ＤＣ变换器的自抗扰控制研究", 理论与方法, pages 47 - 51 *

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