CN114465491A - 一种经济型双向隔离dc/dc四象限变换器及控制方法 - Google Patents

一种经济型双向隔离dc/dc四象限变换器及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器及控制方法，包括依次连接的全控型DC/AC变换器、变压器和四象限变换器，所述全控型DC/AC变换器作为原边拓扑变换器设置于变压器原边和一次侧直流母线之间，所述四象限变换器设置于变压器副边和二次侧直流母线之间；通过控制全控型DC/AC变换器和四象限变换器，实现能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线或能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线。本发明能够应用于直流输配电等系统，实现直流输电，有助于简化系统控制算法，降低系统成本，提高运行可靠性。

Description

一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器及控制方法
技术领域
本发明属于电力电子功率变换技术领域，具体涉及一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器及控制方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着新能源发电与直流输配电的发展，风力发电、光伏发电及储能等直流系统的接入与传输使得隔离型DC/DC的应用越来越广。
目前常用的双向隔离DC/DC变压器原副边常采用完全可控器件(IGBT,电力MOSFET等)，但实际应用中并不是任何时刻都要求能量双向流动，在多数时段都只有一个方向的变换器处于工作状态，电路元件的利用率低，生产成本高。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器及控制方法，本发明能够应用于直流输配电等系统，特别针对新能源发电的接入如：海上或陆上全直流系统，实现直流输电，有助于简化系统控制算法，降低系统成本，提高运行可靠性。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，包括依次连接的全控型DC/AC变换器、变压器和四象限变换器，所述全控型DC/AC变换器作为原边拓扑变换器设置于变压器原边和一次侧直流母线之间，所述四象限变换器设置于变压器副边和二次侧直流母线之间；
通过控制全控型DC/AC变换器和四象限变换器，实现能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线或能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线。
作为可选择的实施方式，所述全控型DC/AC变换器为二电平或三电平全控AC/DC变换器。
作为可选择的实施方式，所述变压器的原边或副边串联谐振电容，与变压器漏感组成串联谐振电路。
作为可选择的实施方式，所述变压器的原边和副边的连接方式为单绕组、原边并副边串组合或原边串副边并组合方式。
作为可选择的实施方式，所述四象限变换器采取半桥或全桥方式，每个桥臂的结构包括串联的若干组，每一组为二极管和晶闸管并联组合方式，或晶闸管并联的组合方式。
基于经济型双向隔离DC/DC四象限变换器的控制方法，包括：
当能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时：
全控型DC/AC变换器基于一次侧电压/功率或二次侧电压/功率，采用闭环控制方式；
四象限变换器工作在不控整流状态；
能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线时：
全控型DC/AC变换器为闭环同步PWM控制，四象限变换器采用开环控制或全控型DC/AC变换器不控为二极管整流或者采用开环同步PWM控制，四象限变换器采用闭环控制。
作为可选择的实施方式，能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时，利用变频移相开关信号进行控制，开关频率的选择大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率，同时实现软开关控制。
作为进一步的限定，四象限变换器工作于第一象限或第三象限。
作为可选择的实施方式，能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线时，利用同步PWM开关信号驱动一次侧全控器件或者触发二次侧晶闸管，二次侧晶闸管触发频率的选择需大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率。
作为进一步的限定，四象限变换器工作于第二象限或第三象限或第四象限。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明针对新能源接入的全直流系统，双向隔离型DC/DC变压器副边可采用不控及半控器件完成反向能量输送，简化系统控制算法，降低系统成本，提高运行可靠性。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为经济型双向隔离DC/DC四象限变换器；
图2的(a)、(b)为一次侧全控型DC/AC变换器控制框图；
图3的(a)、(b)为谐振电容连接示意图；
图4的(a)-(c)为高频变压器连接示意图；
图5的(a)-(c)为四象限变换器示意图；
图6为变换器四象限运行工作状态；
图7为一次侧全控型DC/AC变换器控制框图；
图8为双向隔离DC/DC四象限变换器反向能量传输控制框图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
经济型经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，如图1所示，能够应用于直流输配电等系统，特别针对新能源发电的接入如：海上或陆上全直流系统，实现直流输电。
包括原副边变换拓扑、高频变压器及谐振电容等电路。变压器原边变换器可采用二电平、三电平全控AC/DC变换器，如图2的(a)、(b)所示。
变压器原边或副边串联谐振电容，与变压器漏感组成串联谐振电路，连接方式可为图的3(a)或(b)所示。
高频变压器绕组组合如图4(a)所示的单绕组或如图4的(b)所示的原边并副边串组合，或如图4的(c)所示的原边串副边并组合。
四象限变换器的组成可采取半桥或全桥方式，桥臂包括若干串联的组，每组由二极管与晶闸管组合形成拓扑，或晶闸管组合形成拓扑，如图5的(a)、(b)、(c)所示。
整个系统可以实现能量的双向传递，根据二次侧四象限变换器的不同，可以工作在不同状态，如图6所示。当系统采用图5的(a)所示四象限变换器时，系统可工作在图6所示一、四象限；当系统采用图5的(b)所示四象限变换器时，系统可工作在图5所示二、三象限；当系统采用图5的(c)所示四象限变换器时，系统可实现全部四个象限运行。
根据能量传输方向的不同，控制方法分为能量由一次侧到二次侧、由二次侧到一次侧两类：
(1)能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线(正向)：
如图7所示，为能量传输方向由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时全控型DC/AC变换器控制框图。最终控制变量可选择一次侧电压uDC1或二次侧电压uDC2或一次侧功率pDC1或二次侧功率pDC2，可采用单闭环或双闭环控制，控制器输出产生变频移相开关信号，开关频率的选择大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率，同时实现软开关控制。
表1变压器二次侧四象限变换器正向能量传输控制方式(x、y＝1,2…n)
Figure BDA0003499830100000061
表1所示为变压器二次侧四象限变换器工作方式，对应各电路工作在不控整流状态，为能量正向传输方向。
(2)能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线(反向)：
如图8所示，为能量传输方向由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时整个系统控制框图。最终控制变量可选择一次侧电压uDC1或二次侧电压uDC2或一次侧功率pDC1或二次侧功率pDC2，可采用单闭环或双闭环控制，控制器输出产生同步PWM开关信号驱动一次侧全控器件或者触发二次侧晶闸管，二次侧晶闸管触发频率的选择需大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率。具体工作方式为：
(1)K3选择1端，全控型DC/AC变换器采用图8所示闭环同步PWM控制，四象限变换器采用开环控制，具体触发信号如表2所示；
(2)K3选择2端，全控型DC/AC变换器不控为二极管整流或者采用开环同步PWM控制，四象限变换器采用图8所示闭环控制，具体触发信号如表2所示。
表2变压器二次侧四象限变换器反向能量传输控制方式(x、y＝1,2…n)
Figure BDA0003499830100000071
Figure BDA0003499830100000081
下面以具体实施例的方式进行介绍：
实施例1：一种经济型经济型双向隔离DC/DC四象限变换器一次侧全控型DC/AC变换器采用图2的(a)实现，谐振电容连接采用图3的(a)、(b)皆可，变压器采用图4的(a)单绕组实现，二次侧四象限变换器采用图5的(a)半桥方式实现。能量正向传递时可采用图7中K1选择1端控制方式，变压器二次侧四象限变换器工作在第一象限为二极管不控整流。能量反向传递时可采用图8中K2选择1端、K3选择2端控制方式，变压器二次侧四象限变换器工作在第四象限，图8闭环控制触发晶闸管，一次侧全控型DC/AC变换器工作在不控整流方式。
实施例2：一种经济型经济型双向隔离DC/DC四象限变换器一次侧全控型DC/AC变换器采用图2的(a)实现，谐振电容连接采用图3的(a)、(b)皆可，变压器采用图4的(a)单绕组实现，二次侧四象限变换器采用图5的(a)半桥方式实现。能量正向传递时可采用图7中K1选择2端控制方式，变压器二次侧四象限变换器工作在第一象限为二极管不控整流。能量反向传递时可采用图8中K2选择2端、K3选择1端控制方式，一次侧全控型DC/AC变换器由图8闭环控制驱动开关信号，完成同步PWM控制，变压器二次侧四象限变换器工作在第四象限，晶闸管触发采用开环控制。
实施例3：一种经济型经济型双向隔离DC/DC四象限变换器一次侧全控型DC/AC变换器采用图2的(b)实现，谐振电容连接采用图3的(a)、(b)皆可，变压器采用图4的(b)或(c)多绕组实现，二次侧四象限变换器采用图5的(c)半桥方式实现。能量正向传递时可采用图7中K1选择1端控制方式，变压器二次侧四象限变换器工作在第一象限为二极管不控整流。能量反向传递时可采用图8中K2选择1端、K3选择2端控制方式，变压器二次侧四象限变换器工作在第四象限，图8闭环控制触发晶闸管，一次侧全控型DC/AC变换器工作在不控整流方式。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明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。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、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设备上，使得在计算机或其他可编程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。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，其特征是，包括依次连接的全控型DC/AC变换器、变压器和四象限变换器，所述全控型DC/AC变换器作为原边拓扑变换器设置于变压器原边和一次侧直流母线之间，所述四象限变换器设置于变压器副边和二次侧直流母线之间；
通过控制全控型DC/AC变换器和四象限变换器，实现能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线或能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线。
2.如权利要求1所述的一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，其特征是，所述全控型DC/AC变换器为二电平或三电平全控AC/DC变换器。
3.如权利要求1所述的一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，其特征是，所述变压器的原边或副边串联谐振电容，与变压器漏感组成串联谐振电路。
4.如权利要求1或3所述的一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，其特征是，所述变压器的原边和副边的连接方式为单绕组、原边并副边串组合或原边串副边并组合方式。
5.如权利要求1所述的一种经济型双向隔离DC/DC四象限变换器，其特征是，所述四象限变换器采取半桥或全桥方式，每个桥臂的结构包括串联的若干组，每一组为二极管和晶闸管并联组合方式，或晶闸管并联的组合方式。
6.基于权利要求1-5中任一项所述的经济型双向隔离DC/DC四象限变换器的控制方法，其特征是，包括：
当能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时：
全控型DC/AC变换器基于一次侧电压/功率或二次侧电压/功率，采用闭环控制方式；
四象限变换器工作在不控整流状态；
能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线时：
全控型DC/AC变换器为闭环同步PWM控制，四象限变换器采用开环控制或全控型DC/AC变换器不控为二极管整流或者采用开环同步PWM控制，四象限变换器采用闭环控制。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征是，能量由一次侧直流母线传输到二次侧直流母线时，利用变频移相开关信号进行控制，开关频率的选择大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率，同时实现软开关控制。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征是，四象限变换器工作于第一象限或第三象限。
9.如权利要求6所述的控制方法，其特征是，能量由二次侧直流母线传输到一次侧直流母线时，利用同步PWM开关信号驱动一次侧全控器件或者触发二次侧晶闸管，二次侧晶闸管触发频率的选择需大于变压器漏感和谐振电容的谐振频率。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征是，四象限变换器工作于第二象限或第三象限或第四象限。
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