用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法技术方案

本发明专利技术为用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，包含储能系统在恒流充电、恒压充电以及恒流放电三个不同阶段的控制，恒流充电阶段调节开关频率f

【技术实现步骤摘要】
用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法


[0001]本专利技术属于电力电子
，具体是一种用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法。

技术介绍

[0002]在储能系统中双向DC
‑
DC变换器作为连接直流母线与储能电池的接口，起着能量双向控制、电气隔离、电压等级变换的重要作用。在众多双向DC
‑
DC变换器拓扑中，CLLLC谐振变换器具有结构对称、软开关特性好、关断损耗小等优点，受到了广泛关注。对于CLLLC谐振变换器，在直流母线侧与储能电池侧通常均采用全桥两电平拓扑，然而随着直流母线侧电压等级提高，两电平拓扑开关器件的电压应力较大，从而出现了DNPC
‑
CLLLC谐振变换器，此时开关器件上的电压应力减小为一半的直流母线电压，DNPC
‑
CLLLC谐振变换器是指将直流母线侧的全桥两电平拓扑替换为半桥二极管中点钳位型(DNPC表示二极管中点钳位型)三电平拓扑。
[0003]CLLLC谐振变换器一般控制方法为变频控制，通过改变逆变桥的开关频率实现输出电压和传输功率的调节。然而，由于储能系统中电池侧电压变化范围通常很宽，在变频控制下，为实现宽电压调节，开关频率需要在宽范围内变化，这就增加了变压器与驱动的设计难度。此外，CLLLC谐振变换器在开关频率高于谐振频率时，可实现降压运行，但由于整流管无法实现零电流关断，导致变换器效率降低，而且电压调整范围较窄。

技术实现思路

[0004]针对现有技术问题，本专利技术提供一种用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，该专利技术结合储能电池恒流恒压充电特性，对电池恒流充电阶段、电池恒压充电阶段和电池恒流放电阶段中CLLLC谐振变换器的工作模式及控制方法进行设计，可以在较窄的开关频率范围内满足电池电压宽范围变化的要求，而且在三个阶段中均实现所有开关器件的软开关，CLLLC谐振变换器实现高效率运行。
[0005]为实现上述专利技术目的，采取的技术方案如下：
[0006]一种用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，所述CLLLC谐振变换器包括直流母线侧拓扑、储能电池侧拓扑及对称CLLLC谐振网络，如直流母线侧拓扑可以为直流母线侧半桥DNPC三电平拓扑或直流母线侧全桥两电平拓扑、储能电池侧拓扑可以为储能电池侧全桥两电平拓扑或储能电池侧DNPC三电平拓扑；直流母线侧的母线电压保持恒定不变，储能电池必须按照恒流恒压两阶段充电方式进行充电；
[0007]在所述恒流充电阶段，直流母线侧拓扑的开关器件和储能电池侧拓扑的开关器件均给予驱动信号进行驱动，同时要求CLLLC谐振变换器的开关频率f
s
小于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于降压模式，由于所有开关器件都能给予相应的驱动信号，使得直流母线侧拓扑和储能电池侧拓扑的桥间移相角能够主动控制，实现宽电压控制；
[0008]获得CLLLC谐振变换器的等效电路，计算出恒流充电模式下对称CLLLC谐振网络两
侧的谐振电流的表达式；
[0009]将开关时刻t＝0带入一次侧的谐振电流的表达式，同时将开关时刻带入二次侧的谐振电流的表达式，获得开关频率f
s
和桥间移相角之间的关系式，刻画软开关区域，在软开关区域边界上，通过调节开关频率f
s
以及桥间移相角来实现所有开关器件的软开关，其中ω
s
为开关角频率；
[0010]在所述恒压充电阶段，仅给直流母线侧拓扑的开关器件驱动信号进行驱动，储能电池侧拓扑的开关器件无驱动信号驱动，同时要求开关频率f
s
等于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于电压匹配模式，即实现了恒定电压控制且所有开关器件均实现了软开关；
[0011]在所述恒流放电阶段，仅给储能电池侧拓扑的开关器件由驱动信号驱动，直流母线侧拓扑的开关器件无驱动信号驱动，同时要求CLLLC谐振变换器的开关频率f
s
小于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于升压模式，调节开关频率f
s
实现宽电压控制以及所有开关器件的软开关。
[0012]所述直流母线侧拓扑中，若直流母线侧采用半桥DNPC三电平拓扑，则开关器件S1、S2串联组成半桥DNPC三电平拓扑上桥臂，开关器件S3、S4串联组成半桥DNPC三电平拓扑下桥臂；若直流母线侧采用全桥两电平拓扑，则开关器件S1、S2串联组成全桥两电平拓扑的一对桥臂，S1为上桥臂、S2为下桥臂，开关器件S3、S4串联组成全桥两电平拓扑的另一对桥臂，S3为上桥臂、S4为下桥臂。
[0013]所述储能电池侧拓扑中，若储能电池侧采用全桥两电平拓扑，则开关器件S5、S6串联组成全桥两电平拓扑的一对桥臂，S5为上桥臂、S6为下桥臂，开关器件S7、S8串联组成全桥两电平拓扑的另一对桥臂，S7为上桥臂、S8为下桥臂；若为储能电池侧采用半桥DNPC三电平拓扑，则开关器件S5、S6串联组成半桥DNPC三电平拓扑上桥臂，开关器件S7、S8串联组成半桥DNPC三电平拓扑下桥臂。
[0014]进一步地，开关器件S1‑
S8由驱动信号驱动时，所给的驱动信号的占空比均为50％；在直流母线侧拓扑中，若为直流母线侧半桥DNPC三电平拓扑，则S1、S2驱动信号相同且和S3、S4互补；若为直流母线侧全桥两电平拓扑，则S1、S4驱动信号相同且和S2、S3互补；在储能电池侧拓扑中，若为储能电池侧全桥两电平拓扑，则S5、S8驱动信号相同且和S6、S7互补；若为储能电池侧半桥DNPC三电平拓扑，S5、S6驱动信号相同且和S7、S8互补。
[0015]所述对称CLLLC谐振网络中一次侧谐振电容C
r1
与二次侧谐振电容C
r2
的关系为C
r1
＝C
r2
/N2，一次侧谐振电感L
r1
与二次侧谐振电感L
r2
的关系为L
r1
＝N2L
r2
，N为变压器变比，所述谐振频率f
r
表达式为：
[0016][0017]在恒流充电阶段，所述刻画软开关区域后，根据开关频率f
s
和桥间移相角之间的关系式找到软开关区域边界，获得完整的软开关区域边界曲线，软开关区域边界的两个端点分别为C点和F点，同时令桥间移相角＝
‑
π/2，得到C点处的开关频率f
s
，确定C点坐标，再根据C点找到与其电流相同的E点，由C点确定对应的E点，进而在完整的软开关区域边界曲线C
‑
E
‑
F上确定所选取的部分软开关区域边界曲线E
‑
F，在不同电压传输比d时选取的部分软开关区域边界曲线E
‑
F上，根据要求的充电电流选取对应的开关频率f
s
与桥间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述CLLLC谐振变换器包括直流母线侧拓扑、储能电池侧拓扑及对称CLLLC谐振网络，直流母线侧的母线电压保持恒定不变，储能电池必须按照恒流恒压两阶段充电方式进行充电；所述控制方法包括储能系统中恒流充电、恒压充电以及恒流放电三个不同阶段的控制；在恒流充电阶段，直流母线侧拓扑的开关器件和储能电池侧拓扑的开关器件均给予驱动信号进行驱动，同时要求CLLLC谐振变换器的开关频率f
s
小于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于降压模式，由于所有开关器件都能给予相应的驱动信号，使得直流母线侧拓扑和储能电池侧拓扑的桥间移相角能够主动控制，实现宽电压控制；获得CLLLC谐振变换器的等效电路，计算出恒流充电模式下对称CLLLC谐振网络两侧的谐振电流的表达式；将开关时刻t＝0带入一次侧的谐振电流的表达式，同时将开关时刻带入二次侧的谐振电流的表达式，获得开关频率f
s
和桥间移相角之间的关系式，刻画软开关区域，在软开关区域边界上，通过调节开关频率f
s
以及桥间移相角来实现所有开关器件的软开关，其中ω
s
为开关角频率；在恒压充电阶段，仅给直流母线侧拓扑的开关器件驱动信号进行驱动，储能电池侧拓扑的开关器件无驱动信号驱动，同时要求开关频率f
s
等于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于电压匹配模式，即实现了恒定电压控制且所有开关器件均实现了软开关；在恒流放电阶段，仅给储能电池侧拓扑的开关器件由驱动信号驱动，直流母线侧拓扑的开关器件无驱动信号驱动，同时要求CLLLC谐振变换器的开关频率f
s
小于谐振频率f
r
，CLLLC谐振变换器运行于升压模式，调节开关频率f
s
实现宽电压控制以及所有开关器件的软开关。2.根据权利要求1所述的用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述直流母线侧拓扑为直流母线侧半桥DNPC三电平拓扑或直流母线侧全桥两电平拓扑，所述储能电池侧拓扑为储能电池侧全桥两电平拓扑或储能电池侧DNPC三电平拓扑。3.根据权利要求1所述的用于储能系统的宽电压范围CLLLC谐振变换器的控制方法，其特征在于，所述CLLLC谐振变换器为DNPC
‑
CLLLC谐振变换器，包括直流母线侧半桥DNPC三电平拓扑、储能电池侧全桥两电平拓扑以及对称CLLLC谐振网络；所述直流母线侧半桥DNPC三电平拓扑包括开关器件S1‑
S4、钳位二极管D1‑
D2、母线电容C
i1
‑
C
i2
；开关器件S1、S2串联组成半桥DNPC三电平拓扑上桥臂，开关器件S3、S4串联组成半桥DNPC三电平拓扑下桥臂，上下两桥臂连接点与对称CLLLC谐振网络一次侧端口的一端连接；钳位二极管D1的正极与钳位二极管D2的负极连接，两者的连接点与对称CLLLC谐振网络一次侧端口的另一端连接，钳位二极管D1的负极与开关器件S1和开关器件S2的连接点连接，钳位二极管D2的正极与开关器件S3和开关器件S4的连接点连接；母线电容C
i1
、C
i2
串联连接在直流母线两端，母线电容C
i1
和C
i2
的连接点与钳位二极管D1和D2的连接点连接；所述储能电池侧全桥两电平拓扑包括开关器件S5‑
S8和滤波电容C
o
；开关器件S5和开关器件S6串联组成全桥两电平拓扑的一对桥臂，开关器件S7和开关器件S8串联组成全桥两电平拓扑的另一对桥臂；开关器件S5和开关器件S6的连接点以及开关器件S7和开关器件S8的连接点分别连接到对称CLLLC谐振网络二次侧端口的两端；滤波电容C
o
连接在储能电池两
端；所述对称CLLLC谐振网络包括一次侧谐振电容C
r1
、一次侧谐振电感L
r1
、二次侧谐振电感L
r2
、二次侧谐振电容C
r2
以及高频变压器；一次侧谐振电容C
r1
的一端作为对称CLLLC谐振网络一次侧端口的一端，另一端与一次侧谐振电感L
r1
的一端连接，一次侧谐振电感L
r1
的另一端与高频变压器一次侧的一端连接，高频变压器一次侧的另一端作为对称CLLLC谐振网络一次侧端口的另一端，高频变压器内自带励磁电感L
m
，励磁电感L
m

【专利技术属性】
技术研发人员：黄珺，霍鹏冲，何许国，李凯，王寓，朱鸿波，沈飞，毛世威，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：