基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器及其控制方法，其特征是：能量路由器由四个H桥模块、双向buck/boost变换器模块BB1和BB2、四个外部串联电感和一个高频四绕组变压器共同组成；通过脉冲宽度调制的方式获得用于控制变换器模块BB1与BB2中各全控功率器件通断的驱动信号；通过单移相调制的方式获得用于控制H桥模块中各全控功率器件通断的驱动信号。本发明专利技术同时集成光伏、储能、电网和具有不同电压等级的住宅负载，实现储能、电网的双向功率流动，实现最大化可再生能源利用、减少与电网间的功率交换、对储能的充放电、输入源使用优先级、各端口电压的控制以及系统内的功率平衡控制。

DC residential energy router based on multi port converter and control method thereof

The invention discloses a multi port residential based on DC converter with energy router and its control method, which is characterized in that the router energy by four H bridge module, bidirectional buck/boost converter module BB1 and BB2, four external inductance and a high frequency transformer with four windings together; for each drive signal control fully controlled power devices BB1 and BB2 converter module on-off through pulse width modulation; gain is used for controlling the driving signals of the full controlled power device H bridge module on-off by single phase modulation method. The present invention also integrated photovoltaic, energy storage, and power grid with different voltage levels of residential load, energy storage, power grid to realize bidirectional power flow, maximize the use of renewable energy, and reduce the power exchange between the charge discharge and storage of the input source using priority, power balance of each port voltage control and the control system.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及直流住宅领域，应用于集成了储能和可再生能源如光伏的直流住宅中，具体地说是涉及一种基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器及其控制方法。
技术介绍
如今，随着可再生能源的渗透率越来越高，如何充分发挥其价值与效益成为了人们关注的焦点。利用微网集成可再生能源和储能是目前常用的一种方式。由于大部分可再生能源输出的为直流电，故利用直流微网来集成可再生能源将不需要交流微网中所需的DC/AC变换，从而减小面积和成本，并且无无功功率问题等。另一方面，住宅作为最大的能源用户之一，若采用可再生能源为其供电，将有利于实现节能减排。随着住宅中直流负载所占比例越来越高，若仍采用交流供电系统为其供电，则需相应的AC/DC变换，但在直流供电系统中，则无需变换就可以直接给直流负载供电，这将大大提高能源利用率和负载工作效率。因此，采用直流微网的智能直流住宅开始广受关注。传统的集成可再生能源、储能和住宅负载以形成直流住宅微网的方法是通过多个两端口dc/dc变换器将其并联连接到公共直流母线上。但在这种结构中，每增加一个输入源或负载，都需增加相应的变换器，这将导致系统成本增加、结构复杂和能耗增大。此外，还需配备通信系统以实现对多个变换器的协调控制，这会使系统的可靠性降低，而多端口变换器则可解决上述的一系列问题。目前，应用于直流住宅中的多端口变换器拓扑主要分为非隔离型、隔离型和部分隔离型三大类。其中，部分隔离型拓扑结合了前两者的优点。然而，就现存的直流住宅用多端口变换器而言，要么是采用非隔离型拓扑但未考虑拓扑内含双向端口的情况，要么是采用隔离型拓扑但未考虑整个系统的多任务控制，而鲜有对于部分隔离型拓扑及其相应控制方法的研究。
技术实现思路
本专利技术是为了避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器及其控制方法，以期同时集成光伏、储能、电网和具有不同电压等级的住宅负载，并能实现储能、电网的双向功率流动。控制对象是一种基于部分隔离型多端口变换器拓扑的直流住宅用能量路由器，通过采用多任务控制方法，能够同时实现最大化可再生能源利用、减少与电网间的功率交换、对储能的充放电、输入源使用优先级、各端口电压的控制以及系统内的功率平衡控制。本专利技术为解决技术问题采用如下技术方案：本专利技术基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器的结构特点是：所述能量路由器具有六个双向端口，分别是第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口和第六端口；所述第一端口、第三端口和第五端口一一对应为光伏连接端口、电网连接端口和蓄电池连接端口；光伏电池板经Boost变换器后与第一端口相连，电网经三相桥后与第三端口相连，蓄电池直接与第五端口相连；第二端口、第四端口和第六端口一一对应为48V负载端口、380V负载端口和24V负载端口；第一端口与第五端口之间，以及第二端口与第六端口之间分别通过电耦合集成，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口之间通过磁耦合集成；所述能量路由器由四个H桥模块、两个双向buck/boost变换器模块、四个外部串联电感和一个高频四绕组变压器共同组成；所述四个H桥模块分别为模块H1、模块H2、模块H3和模块H4，记为模块Hi，i＝1,2,3,4；所述两个双向buck/boost变换器模块分别为变换器模块BB1和变换器模块BB2；所述四个外部串联电感分别为电感L11、电感L22、电感L33和电感L44，记为电感Lii，i＝1,2,3,4；所述高频四绕组变压器中包含一个公共铁芯和四个绕组，所述四个绕组分别为绕组G1、绕组G2、绕组G3和绕组G4，记为绕组Gi，i＝1,2,3,4；所述模块Hi是由四个带有反并联二极管的全控功率器件Si1、Si2、Si3、Si4以及电容Ci共同组成；其中全控功率器件Si1的集电极、全控功率器件Si2的集电极以及电容Ci的一端共同连接到连接点Oi，全控功率器件Si3的发射极、全控功率器件Si4的发射极以及电容Ci的另一端共同连接到连接点Ni，全控功率器件Si1的发射极与全控功率器件Si3的集电极及电感Lii的一端共同连接，电感Lii的另一端与绕组Gi的一端相连，全控功率器件Si2的发射极与全控功率器件Si4的集电极及绕组Gi的另一端共同连接；所述变换器模块BB1是由带有反并联二极管的全控功率器件S51、S52、电容C5以及电感L5共同组成；其中全控功率器件S51的集电极连接到连接点O1，全控功率器件S51的发射极、全控功率器件S52的集电极及电感L5的一端共同连接，电感L5的另一端与电容C5的一端共同连接到连接点O5，全控功率器件S52的发射极与电容C5的另一端共同连接到连接点N1；所述变换器模块BB2是由带有反并联二极管的全控功率器件S61、S62、电容C6以及电感L6共同组成；其中全控功率器件S61的集电极连接到连接点O2，全控功率器件S61的发射极、全控功率器件S62的集电极及电感L6的一端共同连接，电感L6的另一端与电容C6的一端共同连接到连接点O6，全控功率器件S62的发射极与电容C6的另一端共同连接到连接点N2；所述第一端口的正极端与连接点O1相连，第一端口的负极端与连接点N1相连；所述第二端口的正极端连接点O2相连，第二端口的负极端与连接点N2相连；所述第三端口的正极端与连接点O3相连，第三端口的负极端与连接点N3相连；所述第四端口的正极端与连接点O4相连，第四端口的负极端与连接点N4相连；所述第五端口的正极端与连接点O5相连，第五端口的负极端与连接点N1相连；所述第六端口的正极端与连接点O6相连，第六端口的负极端与连接点N2相连；通过控制所述模块Hi中各全控功率器件的通断，能够同时控制第一端口输入功率大小、第二端口输出功率大小、第三端口输入或输出功率大小、第四端口输出功率大小，以及将第二端口和第四端口的端口电压分别稳定在48V和380V；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S51的占空比、并保持S52为关断，从而控制蓄电池的充电电流大小，以此控制蓄电池的充电功率大小；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S52的占空比、并保持S51为关断，从而控制蓄电池的放电电流大小，以此控制蓄电池的放电功率大小；控制所述变换器模块BB2中全控功率器件S61的占空比、并保持S62为关断，从而控制第六端口的输出功率大小，并将第六端口的端口电压稳定在24V。本专利技术基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器的控制方法的特点是：通过脉冲宽度调制的方式获得用于控制所述变换器模块BB1与BB2中各全控功率器件通断的驱动信号；通过单移相调制的方式获得用于控制所述模块Hi中各全控功率器件通断的驱动信号。本专利技术控制方法的特点也在于：所述通过脉冲宽度调制的方式获得用于控制所述变换器模块BB1与BB2中各全控功率器件通断的驱动信号是按如下方式进行：按如下方式获得所述变换器模块BB1中全控功率器件S51、S52的驱动信号Q51、Q52：采样获得第五端口的电流采样值i5；设定第五端口的电流参考值I5ref，以I5ref大于0表示蓄电池为放电状态，以I5ref小于0表示蓄电池为充电状态，以I5ref等于0表示蓄电池处在即不充电也不放电的状态；对于电流参考值I5ref大于0，将电流采样值i5直接与电流参考值I5re本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器，其特征是：所述能量路由器具有六个双向端口，分别是第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口和第六端口；所述第一端口、第三端口和第五端口一一对应为光伏连接端口、电网连接端口和蓄电池连接端口；光伏电池板经Boost变换器后与第一端口相连，电网经三相桥后与第三端口相连，蓄电池直接与第五端口相连；第二端口、第四端口和第六端口一一对应为48V负载端口、380V负载端口和24V负载端口；第一端口与第五端口之间，以及第二端口与第六端口之间分别通过电耦合集成，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口之间通过磁耦合集成；所述能量路由器由四个H桥模块、两个双向buck/boost变换器模块、四个外部串联电感和一个高频四绕组变压器共同组成；所述四个H桥模块分别为模块H1、模块H2、模块H3和模块H4，记为模块Hi，i＝1,2,3,4；所述两个双向buck/boost变换器模块分别为变换器模块BB1和变换器模块BB2；所述四个外部串联电感分别为电感L11、电感L22、电感L33和电感L44，记为电感Lii，i＝1,2,3,4；所述高频四绕组变压器中包含一个公共铁芯和四个绕组，所述四个绕组分别为绕组G1、绕组G2、绕组G3和绕组G4，记为绕组Gi，i＝1,2,3,4；所述模块Hi是由四个带有反并联二极管的全控功率器件Si1、Si2、Si3、Si4以及电容Ci共同组成；其中全控功率器件Si1的集电极、全控功率器件Si2的集电极以及电容Ci的一端共同连接到连接点Oi，全控功率器件Si3的发射极、全控功率器件Si4的发射极以及电容Ci的另一端共同连接到连接点Ni，全控功率器件Si1的发射极与全控功率器件Si3的集电极及电感Lii的一端共同连接，电感Lii的另一端与绕组Gi的一端相连，全控功率器件Si2的发射极与全控功率器件Si4的集电极及绕组Gi的另一端共同连接；所述变换器模块BB1是由带有反并联二极管的全控功率器件S51、S52、电容C5以及电感L5共同组成；其中全控功率器件S51的集电极连接到连接点O1，全控功率器件S51的发射极、全控功率器件S52的集电极及电感L5的一端共同连接，电感L5的另一端与电容C5的一端共同连接到连接点O5，全控功率器件S52的发射极与电容C5的另一端共同连接到连接点N1；所述变换器模块BB2是由带有反并联二极管的全控功率器件S61、S62、电容C6以及电感L6共同组成；其中全控功率器件S61的集电极连接到连接点O2，全控功率器件S61的发射极、全控功率器件S62的集电极及电感L6的一端共同连接，电感L6的另一端与电容C6的一端共同连接到连接点O6，全控功率器件S62的发射极与电容C6的另一端共同连接到连接点N2；所述第一端口的正极端与连接点O1相连，第一端口的负极端与连接点N1相连；所述第二端口的正极端连接点O2相连，第二端口的负极端与连接点N2相连；所述第三端口的正极端与连接点O3相连，第三端口的负极端与连接点N3相连；所述第四端口的正极端与连接点O4相连，第四端口的负极端与连接点N4相连；所述第五端口的正极端与连接点O5相连，第五端口的负极端与连接点N1相连；所述第六端口的正极端与连接点O6相连，第六端口的负极端与连接点N2相连；通过控制所述模块Hi中各全控功率器件的通断，能够同时控制第一端口输入功率大小、第二端口输出功率大小、第三端口输入或输出功率大小、第四端口输出功率大小，以及将第二端口和第四端口的端口电压分别稳定在48V和380V；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S51的占空比、并保持S52为关断，从而控制蓄电池的充电电流大小，以此控制蓄电池的充电功率大小；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S52的占空比、并保持S51为关断，从而控制蓄电池的放电电流大小，以此控制蓄电池的放电功率大小；控制所述变换器模块BB2中全控功率器件S61的占空比、并保持S62为关断，从而控制第六端口的输出功率大小，并将第六端口的端口电压稳定在24V。...

【技术特征摘要】
1.基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器，其特征是：所述能量路由器具有六个双向端口，分别是第一端口、第二端口、第三端口、第四端口、第五端口和第六端口；所述第一端口、第三端口和第五端口一一对应为光伏连接端口、电网连接端口和蓄电池连接端口；光伏电池板经Boost变换器后与第一端口相连，电网经三相桥后与第三端口相连，蓄电池直接与第五端口相连；第二端口、第四端口和第六端口一一对应为48V负载端口、380V负载端口和24V负载端口；第一端口与第五端口之间，以及第二端口与第六端口之间分别通过电耦合集成，第一端口、第二端口、第三端口和第四端口之间通过磁耦合集成；所述能量路由器由四个H桥模块、两个双向buck/boost变换器模块、四个外部串联电感和一个高频四绕组变压器共同组成；所述四个H桥模块分别为模块H1、模块H2、模块H3和模块H4，记为模块Hi，i＝1,2,3,4；所述两个双向buck/boost变换器模块分别为变换器模块BB1和变换器模块BB2；所述四个外部串联电感分别为电感L11、电感L22、电感L33和电感L44，记为电感Lii，i＝1,2,3,4；所述高频四绕组变压器中包含一个公共铁芯和四个绕组，所述四个绕组分别为绕组G1、绕组G2、绕组G3和绕组G4，记为绕组Gi，i＝1,2,3,4；所述模块Hi是由四个带有反并联二极管的全控功率器件Si1、Si2、Si3、Si4以及电容Ci共同组成；其中全控功率器件Si1的集电极、全控功率器件Si2的集电极以及电容Ci的一端共同连接到连接点Oi，全控功率器件Si3的发射极、全控功率器件Si4的发射极以及电容Ci的另一端共同连接到连接点Ni，全控功率器件Si1的发射极与全控功率器件Si3的集电极及电感Lii的一端共同连接，电感Lii的另一端与绕组Gi的一端相连，全控功率器件Si2的发射极与全控功率器件Si4的集电极及绕组Gi的另一端共同连接；所述变换器模块BB1是由带有反并联二极管的全控功率器件S51、S52、电容C5以及电感L5共同组成；其中全控功率器件S51的集电极连接到连接点O1，全控功率器件S51的发射极、全控功率器件S52的集电极及电感L5的一端共同连接，电感L5的另一端与电容C5的一端共同连接到连接点O5，全控功率器件S52的发射极与电容C5的另一端共同连接到连接点N1；所述变换器模块BB2是由带有反并联二极管的全控功率器件S61、S62、电容C6以及电感L6共同组成；其中全控功率器件S61的集电极连接到连接点O2，全控功率器件S61的发射极、全控功率器件S62的集电极及电感L6的一端共同连接，电感L6的另一端与电容C6的一端共同连接到连接点O6，全控功率器件S62的发射极与电容C6的另一端共同连接到连接点N2；所述第一端口的正极端与连接点O1相连，第一端口的负极端与连接点N1相连；所述第二端口的正极端连接点O2相连，第二端口的负极端与连接点N2相连；所述第三端口的正极端与连接点O3相连，第三端口的负极端与连接点N3相连；所述第四端口的正极端与连接点O4相连，第四端口的负极端与连接点N4相连；所述第五端口的正极端与连接点O5相连，第五端口的负极端与连接点N1相连；所述第六端口的正极端与连接点O6相连，第六端口的负极端与连接点N2相连；通过控制所述模块Hi中各全控功率器件的通断，能够同时控制第一端口输入功率大小、第二端口输出功率大小、第三端口输入或输出功率大小、第四端口输出功率大小，以及将第二端口和第四端口的端口电压分别稳定在48V和380V；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S51的占空比、并保持S52为关断，从而控制蓄电池的充电电流大小，以此控制蓄电池的充电功率大小；控制所述变换器模块BB1中全控功率器件S52的占空比、并保持S51为关断，从而控制蓄电池的放电电流大小，以此控制蓄电池的放电功率大小；控制所述变换器模块BB2中全控功率器件S61的占空比、并保持S62为关断，从而控制第六端口的输出功率大小，并将第六端口的端口电压稳定在24V。2.一种权利要求1所述基于多端口变换器的直流住宅用能量路由器的控制方法，其特征是：通过脉冲宽度调制的方式获得用于控制所述变换器模块BB1与BB2中各全控功率器件通断的驱动信号；通过单移相调制的方式获得用于控制所述模块Hi中各全控功率器件通断的驱动信号。3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是：所述通过脉冲宽度调制的方式获得用于控制所述变换器模块BB1与BB2中各全控功率器件通断的驱动信号是按如下方式进行：按如下方式获得所述变换器模块BB1中全控功率器件S51、S52的驱动信号Q51、Q52：采样获得第五端口的电流采样值i5；设定第五端口的电流参考值I5ref，以I5ref大于0表示蓄电池为放电状态，以I5ref小于0表示蓄电池为充电状态，以I5ref等于0表示蓄电池处在即不充电也不放电的状态；对于电流参考值I5ref大于0，将电流采样值i5直接与电流参考值I5ref进行比较，比较得到的差值经PI调节器后形成调制波信号，将所述调制波信号和一个峰峰值为2的三角载波信号经脉冲宽度调制后获得驱动信号Q52，设定驱动信号Q51为0；对于电流参考值I5ref小于0，将电流采样值i5直接与电流参考值I5ref进行比较，比较得到的差值经PI调节器后形成调制波信号，将所述调制波信号和一个峰峰值为2的三角载波信号经脉冲宽度调制后获得驱动信号Q51，设定驱动信号Q52为0；对于电流参考值I5ref等于0，设定所述驱动信号Q51与Q52均为0；按如下方式获得所述变换器模块BB2中全控功率器件S61、S62的驱动信号Q61、Q...

【专利技术属性】
技术研发人员：茆美琴，施汉杰，张榴晨，张涛，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34