CN114531024A - 一种双母线平衡电路、电子设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双母线平衡电路、电子设备及控制方法。电路的正母线电容C1和负母线电容C2相串联，第一开关管S1的一端与电容C1的一端连接，第一开关管S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阴极连接，第一电感L1的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，第二开关管S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，第二开关管S2的另一端与负母线电容C2的一端、第一二极管D1的阳极连接，第二二极管D2的阴极与正母线电容C1的一端连接，第二电感L2的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，第一开关管S1和第二开关管S2均通过控制器控制占空比。本发明可以实现双母线电容的能量转换，达到双母线电压平衡的目的。

Description

一种双母线平衡电路、电子设备及控制方法

技术领域

本发明涉及发电技术、电源技术和光伏储能技术领域，更具体地说，特别涉及一种双母线平衡电路、电子设备及控制方法。

背景技术

随着太阳能板、锂电池包的发展，以及设备所需求的功率提升，对于设备直流侧的需求也越来越高。以光伏并网逆变器为例，太阳能板侧接入一般是采用串联为主的方式，最高电压可达上千伏。考虑到逆变侧效率，所以设备内部采用双母线的方案。由于经济性，双母线所使用的母线电容会控制在一定的规格内，所以双母线电压的平衡策略成为这种设备的关键技术。

现有的技术主要是逆变侧设计三电平的方案，通过逆变侧去调节双母线电压的平衡。这种电路的缺点是：如果机器用于离网用途时，逆变输出为电压源，双母线电压没有平衡电路可以对其进行调节。在双母线电压失控的情况下，只能牺牲逆变输出的电压波形才有可能调节；如果机器用于并网用途时，双母线依赖逆变电路调节，该调节方式会在一定程度上牺牲并网侧电流的谐波或者直流分量，因此，以上两种技术方案并不属于最优方案。

另外，现有技术也有采用通过变压器隔离进行分别对双母线控制的电路拓扑。这种技术在一些设备上使用并不经济，同时电路复杂且效率低下。

为此，有必要开发一种用于光伏储能逆变器的双母线平衡电路拓扑及控制方法，以解决现有技术所存在的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双母线平衡电路、电子设备及控制方法，以克服现有技术所存在的缺陷。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种双母线平衡电路，包括正母线电容C1、负母线电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，所述正母线电容C1和负母线电容C2相串联，所述第一开关管S1的一端与电容C1的一端连接，所述第一开关管S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阴极连接，所述第一电感L1的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，所述第二开关管S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，所述第二开关管S2的另一端与负母线电容C2的一端、第一二极管D1的阳极连接，所述第二二极管D2的阴极与正母线电容C1的一端连接，所述第二电感L2的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，所述第一开关管S1和第二开关管S2均通过控制器控制占空比。

进一步地，所述第一开关S1、第二开关S2均为IGBT管，所述第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关管S1的源极与第一电感L1的一端、第一二极管D1的阴极连接，所述第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，所述第二开关S2的源极与负母线电容C2的一端连接。

本发明还提供一种电子设备，所述电子设备内包括上述双母线平衡电路拓扑。

进一步地，所述电子设备为高压PV或高压电池、三电平的并网逆变器或储能逆变器。

本发明还提供一种根据上述的双母线平衡电路拓扑的控制方法，该控制方法包括以下步骤，

首先、判断在满足Vhigh>(Vc1+Vc2)>Vlow时，双母线电压平衡电路处于被允许开启状态；

其次、判断在满足Vdelta>Von时，双母线电压平衡电路开启；

然后、判断在满足Vc1>Vc2时，启动控制器控制第一开关S1占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2占空比；

最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff，双母线电压平衡电路关闭；

其中，Vc1为正母线电容C1的电压，Vc2为负母线电容C2的电压，Vlow为母线电容正常的最低电压，Vhigh为母线电容正常的最高电压，Ibat为平衡母线电容电压上的电感电流，Vdelta= |Vc1-Vc2|，Von为双母线电压平衡电路开启的双母线电压差值的电压，Voff为双母线电压平衡电路关闭的双母线电压差值的电压，Ioff为双母线电压平衡电路关闭的电感电流。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明通过简单的主要由储能元件组成的电路，实现双母线电容的能量转换，达到双母线电压平衡的目的，储能元件的使用可以较大程度上减少自损耗；在双母线电压平衡调节时，通过开关的占空比由0开始控制，减少电感、电容上的电流纹波，达到更低的元件损耗的目的，本发明的电路可视为独立模块，由于对逆变侧的依赖较小，可以减少对逆变侧谐波、直流分量等指标的影响，整体具有电路简单，接线简单，易实现的优点。

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发明的一些实施例，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是本发明的双母线平衡电路拓扑的电路图。

图2是本发明的具体应用电路图。

图3是本发明中第一BUCK电路的电路图。

图4是本发明中第二BUCK电路的电路图。

图5是本发明中第一开关S1导通的回路图。

图6是本发明中第一开关S1关断的回路图。

图7是本发明中第二开关S2导通的回路图。

图8是本发明中第二开关S2关断的回路图。

图9是本发明中正母线电容C1比负母线电容C2电压高时的控制框图。

图10是本发明中负母线电容C2比正母线电容C1电压高时的控制框图。

图11是本发明用于光伏储能逆变器的双母线平衡电路拓扑控制方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

实施例一

参阅图1所示，本实施例主要是在双母线的电容端，分别对两母线电容设计一个BUCK电路，通过总直流母线侧及对应的BUCK电路给低压的母线电容充电。

本实施例公开了一种双母线平衡电路拓扑，包括正母线电容C1、负母线电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，正母线电容C1和负母线电容C2相串联，第一开关管S1的一端与电容C1的一端连接，第一开关管S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阴极连接，第一电感L1的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，第二开关管S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，第二开关管S2的另一端与负母线电容C2的一端、第一二极管D1的阳极连接，第二二极管D2的阴极与正母线电容C1的一端连接，第二电感L2的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，第一开关管S1和第二开关管S2均通过控制器控制占空比。

本实施例中，所述第一开关S1、第二开关S2均为IGBT管，第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关管S1的源极与第一电感L1的一端、第一二极管D1的阴极连接，第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，第二开关S2的源极与负母线电容C2的一端连接。

参阅图3所示，总母线Vdc与第一开关S1、第一电感L1、负母线电容C2、第一二极管D1构成BUCK电路，通过该电路可实现总母线Vdc对负母线电容C2充电。

参阅图4所示，总母线Vdc与正母线电容C1、第二开关S2、第二电感L2、第二二极管D2构成BUCK电路，通过该电路可实现总母线Vdc对正母线电容C1充电。

因此，本实施例的电路可以通过判断正母线电容C1与正母线电容C2的电压不平衡度来开启对应的电路来进行充电平衡。

为使本实施例的目标、技术方案及优点更加清楚明白，本实施例的电路拓扑分为两部分说明：一是由总母线Vdc、第一开关S1、第一二极管D1、第一电感L1与负母线电容C2构成的第一BUCK电路：总母线Vdc电压与正母线电容C1和负母线电容C2串联的总电压一致，当第一开关S1导通，总母线Vdc给第一电感L1输送能量，同时给负母线电容C2充电，电路回路见图5，当第一开关S1关断后，总母线Vdc停止输送能量，第一电感L1保持原来的电流方向与负母线电容C2和第一二极管D1形成续流回路，把第一电感L1上的能量给负母线电容C2充电，电路回路见图6。二是由总母线Vdc、第二开关S2、第二二极管D2、第二电感L2与正母线电容C1构成的第二BUCK电路：总母线Vdc电压与正母线电容C1和负母线电容C2串联的总电压一致；当第二开关S2导通，总母线Vdc给第二电感L2输送能量，同时给正母线电容C1充电，电路回路见图7；当第二开关S2关断后，总母线Vdc停止输送能量，第二电感L2保持原来的电流方向与正母线电容C1和第二二极管D2形成续流回路，把第二电感L2上的能量给正母线电容C1充电，电路回路见图8。

当正母线电容C1和负母线电容C2电压发生不平衡时，主要有两种不同实际应用情况：

1、当正母线电容C1比负母线电容C2电压高时，第二开关S2处于关断状态，调节第一开关S1的占空比，控制第一电感L1的电流，进行对负母线电容C2充电电流的调节。电路回路参考图5、图6。为了让控制效果更智能，引入电压外环、电流内环的双环控制。控制框图如图9，其中，Vc1为正母线电容C1的电压，Vc2为负母线电容C2的电压，Il1为第一电感L1的电流，S1pwm是第一开关S1的占空比。

2、当负母线电容C2比正母线电容C1电压高时，第一开关S1处于关断状态，调节第二开关S2的占空比，控制第二电感L2的电流，进行对正母线电容C1充电电流的调节。电路回路参考图7、图8。为了让控制效果更智能，引入电压外环、电流内环的双环控制。控制框图如图10，其中，Vc1为正母线电容C1的电压，Vc2为负母线电容C2的电压，Il2为第二电感L2的电流，S2pwm是第二开关S2的占空比。

综合以上两种不同应用情况所述，通过判断正母线电容C1和负母线电容C2的电压状态，从而选择对应的开关电路及控制策略进行调整双母线电容的电压，最终使得正母线电容C1和负母线电容C2电压处于合理的平衡状态。

本实施例的双母线平衡电路，是通过简单的主要由储能元件组成的电路，实现双母线电容的能量转换，达到双母线电压平衡的目的。同时，储能元件的使用可以较大程度上减少自损耗。

本实施例的双母线平衡电路拓扑，在双母线电压平衡调节时，通过开关的占空比由0开始控制，减少电感、电容上的电流纹波，达到更低的元件损耗的目的。

本实施例的双母线平衡电路拓扑可视为独立模块，因为对逆变侧的依赖较小，可以减少对逆变侧谐波、直流分量等指标的影响。

本实施例的双母线电压平衡电路拓扑，电路简单，接线简单，易实现。

实施例二

如图2所示，本实施例还提供一种电子设备，所述电子设备内包括上述双母线平衡电路拓扑。

具体的，所述电子设备为高压PV或高压电池、三电平的并网逆变器或储能逆变器。

实施例三

参阅图11所示，为了更优地减少电路工作所带来的损耗，本实施例提供一种实施例一所述的双母线平衡电路拓扑的控制方法，该控制方法包括以下步骤，

首先、判断在满足Vhigh>(Vc1+Vc2)>Vlow时，双母线电压平衡电路处于被允许开启状态；

其次、判断在满足Vdelta>Von时，双母线电压平衡电路开启；

然后、判断在满足Vc1>Vc2时，启动控制器控制第一开关S1占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2占空比；

最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff，双母线电压平衡电路关闭；

其中，Vc1为正母线电容C1的电压，Vc2为负母线电容C2的电压，Vlow为母线电容正常的最低电压，Vhigh为母线电容正常的最高电压，Ibat为平衡母线电容电压上的电感电流，Vdelta= |Vc1-Vc2|，Von为双母线电压平衡电路开启的双母线电压差值的电压，Voff为双母线电压平衡电路关闭的双母线电压差值的电压，Ioff为双母线电压平衡电路关闭的电感电流。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种双母线平衡电路，其特征在于，包括正母线电容C1、负母线电容C2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2，所述正母线电容C1和负母线电容C2相串联，所述第一开关管S1的一端与电容C1的一端连接，所述第一开关管S1的另一端与第一电感L1一端、第一二极管D1的阴极连接，所述第一电感L1的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，所述第二开关管S2的一端与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，所述第二开关管S2的另一端与负母线电容C2的一端、第一二极管D1的阳极连接，所述第二二极管D2的阴极与正母线电容C1的一端连接，所述第二电感L2的另一端连接在正母线电容C1和负母线电容C2的连接处，所述第一开关管S1和第二开关管S2均通过控制器控制占空比。

2.根据权利要求1所述的双母线平衡电路拓扑，其特征在于，所述第一开关S1、第二开关S2均为IGBT管，所述第一开关S1的漏极与电容C1的一端连接，第一开关管S1的源极与第一电感L1的一端、第一二极管D1的阴极连接，所述第二开关S2的漏极与第二电感L2的一端、第二二极管D2的阳极连接，所述第二开关S2的源极与负母线电容C2的一端连接。

3.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备内包括权利要求1或2任意一项所述双母线平衡电路拓扑。

4.根据权利要求3所述的电子设备，其特征在于，所述电子设备为高压PV或高压电池、三电平的并网逆变器或储能逆变器。

5.一种根据权利要求1或2所述的双母线平衡电路拓扑的控制方法，其特征在于：该控制方法包括以下步骤，

首先、判断在满足Vhigh>(Vc1+Vc2)>Vlow时，双母线电压平衡电路处于被允许开启状态；

其次、判断在满足Vdelta>Von时，双母线电压平衡电路开启；

然后、判断在满足Vc1>Vc2时，启动控制器控制第一开关S1占空比，否则，启动控制器控制第二开关S2占空比；

最后、判断在满足Vdelta<Voff且Ibat < Iofff，双母线电压平衡电路关闭；

其中，Vc1为正母线电容C1的电压，Vc2为负母线电容C2的电压，Vlow为母线电容正常的最低电压，Vhigh为母线电容正常的最高电压，Ibat为平衡母线电容电压上的电感电流，Vdelta= |Vc1-Vc2|，Von为双母线电压平衡电路开启的双母线电压差值的电压，Voff为双母线电压平衡电路关闭的双母线电压差值的电压，Ioff为双母线电压平衡电路关闭的电感电流。

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