一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构技术方案

本发明专利技术提出了一种控制电池储能系统的双向多电平变换器，其基础单元为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块，以三电平基础拓扑为例具体分析，还提出了四电平、m电平扩展拓扑。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小，其通过开关电容部分与滤波部分实现电池与直流母线之间的电压转换。电路主要通过开关电容部分实现升压功能，各功率开关工作在不同状态组合得到多电平输出，并通过调控相邻工作状态的占空比实现一定范围内的精确输出。态的占空比实现一定范围内的精确输出。态的占空比实现一定范围内的精确输出。

【技术实现步骤摘要】
一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构


[0001]本专利技术涉及DC
‑
DC变换器领域，特别涉及到一种控制电池储能系统的双向多电平变换器。

技术介绍

[0002]在电池储能系统中，DC
‑
DC变换器是直流母线从电池接收电能或电池向直流母线输送电能的桥梁，而直流母线与电池之间的电压并不匹配。因此，需要拥有高电压增益的变换器来解决这个问题。在传统的变换器中，只有两个输出电平，并且高电压增益也带来了输出电压纹波的增加，我们则可以通过增加输出电压电平来抑制输出电压纹波。基于此，本专利提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器拓扑结构。

技术实现思路

[0003]为了实现以上要求，本专利技术提出一种控制电池储能系统的双向多电平变换器。以三电平基础拓扑为例具体分析，还提出了四电平、m电平扩展拓扑。该拓扑结构具有高电压增益且输出电压纹波小，电路工作时开关电容电路中电容两端的电压自动稳定，以实现电路稳定输出，各功率开关工作在不同状态组合得到多电平输出，通过对相邻工作状态调控其占空比来精确调节输出电压。
[0004]多电平变换器的基础单元(图2)为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块。电池通过与开关电容模块中的电容串联实现升压功能。拓扑结构中每多一个基础单元，变换器的电压增益上限提高U
b
。变换器通过开关电容部分滤波部分实现电池与直流母线间的电压转换，各开关管工作在不同的状态组合得到多电平输出。
[0005]采用所述基础单元的三电平基础拓扑(图3)由五个开关管，两个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由一个基础单元组成，包括S1、S3、S4和C1。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1的充电回路，右边经S5、滤波部分与直流母线相连。当S1关断，S2、S3导通时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3、S4关断，此时C1两端的电压为U
b
，电池与C1串联实现升压功能。S5为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C2构成，以滤除高频电压。
[0006]将“1”定义为开关的高电平驱动信号，“0”表示低电平驱动信号，则可用五位数字来表示电路的工作状态。不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S5工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态。状态1：开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止；状态2：开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止；状态3：开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止。从而得到三个输出电平。
[0007]表1驱动信号表(三电平基础拓扑)
[0008][0009]状态1：
[0010]此时电路驱动信号为01110，开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止，直流母线输出电压为0V。电池放电时(放电回路如图4实线)，电池经S2、S3对C1充电，此时没有电流流向直流母线。电池充电时(充电回路如图4虚线)，C1经S2、S3对电池充电，，此时没有电流从直流母线流向电池。
[0011]状态2：
[0012]此时电路驱动信号为01101，开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止，直流母线输出电压为U
b
。电池放电时(放电回路如图5实线)，电池经S2、S3对C1充电，并发出电流经S3、S5和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图5虚线)，C1经S2、S3对电池充电，直流母线流出电流经S3、S5和滤波电路向电池充电。
[0013]状态3：
[0014]此时电路驱动信号为10001，开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止，直流母线的输出电压为2U
b
。电池放电时(放电回路如图6实线)，电池串联C1发出电流经S1、S5和滤波电路流向直流母线。电池充电时(充电回路如图6虚线)，直流母线流出电流经S1、S5和滤波电路对C1与电池充电。
[0015]在得到的0、U
b
、2U
b
三个输出电平的基础上，对于其他所需0～2U
b
内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～U
b
、U
b
～2U
b
两个区间，分成两种组合模式：
[0016]模式一：所需电压于0～U
b
时，电路工作于状态1与2，两种驱动信号各作用一段时间。当状态1的作用时间为T1，开关周期为T
S
时，则状态1的占空比D1＝T1/T
S
，此时输出电压U0为：
[0017]U0＝(1
‑
D1)U
b
ꢀꢀꢀ
(2
‑
1)
[0018]若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2
‑
1得到状态1的占空比D1：
[0019]D1＝1
‑
U0/U
b
ꢀꢀꢀ
(2
‑
2)
[0020]由D1可知，状态1作用的时间T1＝D1T
S
，状态2作用的时间T2＝T
S
‑
T1。
[0021]模式二：所需电压于U
b
～2U
b
时，电路工作于状态2与3，两种驱动信号各作用一段时间。当状态2的作用时间为T2，开关周期为T
S
时，则状态2的占空比D2＝T2/T
S
，此时输出电压U0为：
[0022]U0＝D2U
b
+(1
‑
D2)2U
b
ꢀꢀꢀ
(2
‑
3)
[0023]若电池电压及输出电压已知，则可由上述公式2
‑
3得到状态2的占空比D2：
[0024]D2＝2
‑
U0/U
b
ꢀꢀꢀ
(2
‑
4)
[0025]由D2可知，状态2作用的时间T2＝D2T
S
，状态3作用的时间T3＝T
S
‑
T2。
[0026]采用所述基础单元的四电平扩展拓扑(图7)由八个开关管，三个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由两个基础单元组成，包括S1、S3、S4、S5、S6、S8、C1、C2。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中
电容C1、C2的充电回路，其右边经S7、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的电容C1、C2充电完毕后，各开关管的不同导通关断组合，使电池与C1、C2串联，实现升压功能。S7为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C3构成，以滤除高频电压。
[0027]不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S8工作于不同的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种控制电池储能系统的双向多电平变换器，其特征在于，该基础单元(图2)为三个开关管与一个电容组成的开关电容模块。电池通过与开关电容模块中的电容串联以实现升压功能。拓扑结构中每多一个基础单元，变换器的电压增益上限提高U
b
。其通过开关电容部分与滤波部分实现电池与直流母线间的电压转换，各开关管工作在不同的状态组合得到多电平输出。2.一种采用权利要求1中所述基础单元的三电平基础拓扑(图3)，由五个开关管，两个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由一个基础单元组成，包括S1、S3、S4和C1。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1的充电回路，右边经S5、滤波部分与直流母线相连。当S1关断，S2、S3导通时，电池对电容C1充电；当S1导通，S2、S3、S4关断，此时C1两端的电压为U
b
，电池与C1串联实现升压功能。S5为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C2构成，以滤除高频电压。3.根据权利要求2中所述的三电平基础拓扑，其特征在于，不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S5工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有三种状态。状态1：开关S2、S3、S4导通，S1、S5截止。此时电流回路如图4。电池经S2和S3给C1充电，直流母线输出为0V；状态2：开关S2、S3、S5导通，S1、S4截止，此时电流回路如图5。电池经S2和S3给C1充电，同时经S3、S5、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为U
b
；状态3：开关S1、S5导通，S2、S3、S4截止，此时电流回路如图6。电池经S1、C1、S5、滤波电路与直流母线相连，直流母线输出为2U
b
。共得到三个输出电平；在得到的0、U
b
、2U
b
三个输出电平的基础上，对于其他所需0～2U
b
内的输出电压，可以对相邻两个工作状态调节其各自作用时间，即调控占空比来实现各个区间内的精确输出。由0～U
b
、U
b
～2U
b
两个区间，分成两种组合模式：所需电压于0～U
b
时，电路工作于状态1与2，两个状态各作用一段时间，即模式1。状态1的作用时间为T1，开关周期为T
S
，则状态1的占空比D1＝T1/T
S
，输出电压U0为：U0＝(1
‑
D1)U
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
1)所需电压于U
b
～2U
b
时，电路工作于状态2与3，两个工作状态各作用一段时间，即模式2。状态2的作用时间为T2，开关周期为T
S
，则状态2的占空比D2＝T2/T
S
，U0为：U0＝D2U
b
+(1
‑
D2)2U
b
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1
‑
2)4.一种采用权利要求1中所述基础单元的四电平扩展拓扑(图7)，由八个开关管，三个电容和一个电感构成，包括开关电容部分与滤波部分。其中开关电容部分由两个基础单元组成，包括S1、S3、S4、S5、S6、S8、C1、C2。开关电容部分的左边与电池相连，并通过S2形成电池对开关电容模块中电容C1、C2的充电回路，右边经S7、滤波部分与直流母线相连。当电池对开关电容模块中的电容C1、C2充电完毕后，各开关管经过不同的状态组合，使电池与C1、C2串联实现升压功能。S7为高电平通路，S2为低电平通路。滤波部分由L和C3构成，以滤除高频电压。5.根据权利要求4中所述的四电平扩展拓扑，其特征在于，不同的驱动信号作用于拓扑电路，使开关管S1～S8工作于不同的状态组合，得到不同的输出电平，共有四种状态。状态1：开关S2、S3、S4、S6、S8导通，S1、S5、S7截止，此时电流回路如图8。电池经S2和S3给C1充电，同时经S2、S3、S4、S6给C2充电，直流母线输出为0V；状态2：开关S2、S3、S4、S6、S7导通，S1、S5、S8截止，此时电流回路如图9。电池经S2和S3给C1充电，同时经S2、S3、S4、S6给C2充电，并经S3、S6、S7、滤波电路与直...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡毕华，闫晗，陈智勇，谭平安，盘宏斌，邓文浪，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：