一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法技术方案

本发明专利技术公开了一种应用于油田电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法，解决了锂电池

【技术实现步骤摘要】
一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法


[0001]本专利技术涉及DC/DC变换器
，具体涉及一种油田电驱修井机主动式复合电储能系统的低纹波双向DC变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]修井机是油田重要作业设备之一，电驱修井机需采用电储能装置补偿电网功率，锂电池和超级电容的复合电储能装置结合了锂电池和超级电容各自性能优势，克服了单一电储能装置如锂电池比功率小、超级电容比能量小的问题。
[0003]为控制锂电池
‑
超级电容复合电储能装置的充放电，目前共有四种拓扑结构电路：被动式复合电源结构、半主动式超级电容端负载结构、半主动式蓄电池端负载结构以及主动式复合电源结构。被动式复合电源结构简单易行，成本低，但复合电源的功率分配完全取决于超级电容器和蓄电池各自的内阻，无法控制，实际使用时适应性较差；半主动式超级电容端负载结构虽方便超级电容发挥自身快速充放电的性能优势，但因超级电容的电压变化跨度大，负载电压随之波动较大，降低了电机的工作稳定性，并且需串并联大量单体电容来使超级电容有更大的总能量，因此该结构的成本将大大提高；半主动式电池端负载结构可以控制超级电容器在负载端需要大电流时提供峰值功率输出，同时双向控制器能够在超级电容器电压大幅变化时稳定负载端输出电压，其电压同样无需与蓄电池电压时刻保持一致，更有利于发挥超级电容器对大功率的吞吐能力，缺点是超级电容器在向负载供电前经过双向控制器，影响了超级电容器大功率充放电时的响应速度，而且负载的大电流几乎全部由超级电容提供，必须增加双向变换器的容量，因此增加了双向变换器的制造难度；主动式复合电源结构能够分别控制蓄电池和超级电容器的充放电状态，增加了系统灵活性，使系统旳控制精度更高，能够让超级电容器和蓄电池最大化发挥各自储能上的优势，但是因为两个DC/DC变换器的存在，不仅提高了成本，增加了控制难度，而且引起不必要的能量损失从而造成能量利用率不高。
[0004]综上所述，现有的复合电源电路结构中均存在一定的技术问题需要解决。

技术实现思路

[0005]电驱修井机的锂电池
‑
超级电容复合电储能装置若采用主动式复合电源结构，控制灵活，但需要两个双DC/DC变换器来控制锂电池和超级电容两个电储能装置的充放电，电路结构复杂，也增加了控制复杂程度。本专利技术针对该技术问题，提供了一种双DC/DC变换器电路结构，用单一双DC/DC变换器控制锂电池和超级电容两个电储能器件的充放电，简化电路结构，降低控制复杂程度。
[0006]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：所设计的双DC/DC变换器通过二极管的单向导通性能以及对级联电路中开关管的稳定控制，共同实现单一双DC/DC变换器控制锂电池和超级电容两个电储能装置的充放电。该双向DC/DC变换器包括主电路上具有选
择开关作用的二极管、第一电感、第二电感和第三电感以及上下桥臂构成的三级联电路，二极管的单向导通性能以及三级联电路中开关管上的控制信号确保锂电池输出平稳功率的同时，超级电容可频繁充放电，补偿修井机所需峰值功率，以及吸收修井机电动机倒发电产生的电能。三级联电路减小了电流纹波，减小开关器件在开关过程中的应力。
[0007]其电路的拓扑结构包括：锂电池U
b
、选择开关二极管D、第一电感L1、第一电感上桥臂开关管S1、第一电感下桥臂开关管S2、超级电容U
c
、第二电感L2、第二电感上桥臂开关管S3、第二电感下桥臂开关管S4、第三电感L3、第三电感上桥臂开关管S5、第三电感下桥臂开关管S6。锂电池U
b
正端连接二级管D正端，锂电池负端和第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和超级电容一端相连；二极管D的负端和第一电感L1的上桥臂开关管S1漏极、二极管D1的负端、第二电感L2的上桥臂开关管S3漏极、二极管D3的负端、第三电感L3的上桥臂开关管S5漏极、二极管D5的负端相连；第一电感L1的另外一端和上桥臂S1的源极、二极管D1的正端、下桥臂S2的漏极、二极管D2的负端相连；第二电感L2的另外一端和上桥臂S3的源极、二极管D3的正端、下桥臂S4的漏极、二极管D4的负端相连；第三电感L3的另外一端和上桥臂S5的源极、二极管D5的正端、下桥臂S6的漏极、二极管D6的负端相连；超级电容的一端和第一电感L1的下桥臂开关管S2的源极、第二电感L2的下桥臂开关管S4的源极、第三电感L3的下桥臂开关管S6的源极相连。所述的一种适用于电驱修井机主动式复合电储能装置的双DC/DC变换器的控制方法为：基于所述双DC/DC变换器工作占空比信号，在Boost和Buck两种模式下分别有两个工作状态，共四个工作状态。
[0008]在修井机提升阶段电动机有大功率需求，母线侧产生电压骤降，此时电储能系统工作于Boost模式下，由于二极管D的单向导通作用，配合开关管的控制信号，在S2、S4与S6一个开关周期内，不同阶段实现由锂电池和超级电容共同升压、电感L1、L2和L3与锂电池共同升压。若修井机下放阶段电动机出现倒发电现象，该储能装置工作于Buck模式下，同样由于二极管D的选择导通作用，配合开关管的控制信号，在S1、S3与S5一个开关周期内，实现母线向超级电容和电感L1、L2和L3充电、电感L1、L2和L3单独向超级电容充电的过程。
[0009]所述的一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法，为了提高系统稳定性，避免互补PWM控制可能存在上下桥臂开关管直通现象，该双DC/DC变换器采用独立PWM控制，当开关管S1、S3和S5关断时，S2、S4与S6处于PWM调制时，该系统工作于Boost模式；当开关管S2、S4与S6关断时，S1、S3和S5处于PWM调制时，该系统工作于Buck模式。
[0010]在Boost工作模式下，开关管S2、S4和S6导通和关断为两种工作状态，在Buck工作模式下，开关管S1、S3和S5导通和关断为两种工作状态，共四种工作状态。
[0011]所述变换器工作在Boost模式时，假设电感L1、L2和L3电流工作于连续状态，令变换器开关管S2、S4与S6采用占空比为d1的PWM信号，则在一个周期T
s
内，Boost模式有两种工作状态。
[0012]工作状态1(t0‑
t1)：此期间开关管S2、S4与S6同时导通，超级电容对电感L1、L2和L3充电，同时二极管D由正向压降而导通，锂电池和超级电容同时向母线侧供电。
[0013]工作状态2(t1‑
t2)：此期间开关管S2、S4与S6同时关断，二极管D1、D3和D5由于续流而导通，超级电容和电感L1、L2和L3同时向母线侧供电。
[0014]所述变换器工作在Boost模式时，假设电感L1、L2和L3电流工作于连续状态，令变换
器开关管S1、S3和S5采用占空比为d2的PWM信号，则在一个周期T
s
内，Buck模式有两种工作状态。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法，其特征在于，所设计的双DC/DC变换器运用主电路上的二极管单向导通功能和对三级联电路中开关管的控制，实现单一双DC/DC变换器对锂电池和超级电容两个电储能装置同时进行充放电控制的功能。其电路的拓扑结构包括：锂电池U
b
、选择开关二极管D、第一电感L1、第一电感上桥臂开关管S1、第一电感下桥臂开关管S2、超级电容U
c
、第二电感L2、第二电感上桥臂开关管S3、第二电感下桥臂开关管S4、第三电感L3、第三电感上桥臂开关管S5、第三电感下桥臂开关管S6。锂电池U
b
正端连接二级管D正端，锂电池负端和第一电感L1、第二电感L2、第三电感L3和超级电容一端相连；二极管D的负端和第一电感L1的上桥臂开关管S1漏极、二极管D1的负端、第二电感L2的上桥臂开关管S3漏极、二极管D3的负端、第三电感L3的上桥臂开关管S5漏极、二极管D5的负端相连；第一电感L1的另外一端和上桥臂S1的源极、二极管D1的正端、下桥臂S2的漏极、二极管D2的负端相连；第二电感L2的另外一端和上桥臂S3的源极、二极管D3的正端、下桥臂S4的漏极、二极管D4的负端相连；第三电感L3的另外一端和上桥臂S5的源极、二极管D5的正端、下桥臂S6的漏极、二极管D6的负端相连；超级电容的一端和第一电感L1的下桥臂开关管S2的源极、第二电感L2的下桥臂开关管S4的源极、第三电感L3的下桥臂开关管S6的源极相连。所述的一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法：基于所述双DC/DC变换器工作时占空比信号，在Boost和Buck两种模式下分别有两个工作状态，共四个工作状态。在修井机提升阶段电动机有大功率需求，母线侧产生电压骤降，此时电储能系统工作于Boost模式下，由于二极管D的单向导通作用，配合开关管的控制信号，在开关管S2、S4和S6一个开关周期内，不同阶段分别实现由锂电池和超级电容共同升压以及由电感L1、L2和L3与锂电池共同升压。若修井机下放阶段电动机出现倒发电现象，该储能装置工作于Buck模式下，同样由于二极管D的选择导通作用，配合开关管的控制信号，在开关管S1、S3和S5一个开关周期内，实现母线向超级电容和电感L1、L2和L3充电以及电感L1、L2和L3单独向超级电容充电的过程。2.根据权利要求1所述的电驱修井机主动式复合电储能系...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，张彦廷，沈蓉，黄鲁蒙，蒿汉青，张颖，陈昱铮，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：