一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法技术

本发明专利技术公开了一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法，包括双极性的双向DC/DC，双向DC/DC的第一正极端和第二正极端分别经直流母线接地连接，双向DC/DC的第一负极端接地，第二负极端经储能电池后接地连接；直流母线的电压等于储能电池电压加双向DC/DC第二正极端电压；当直流母线的电压大于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为正电压；当直流母线的电压小于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为负电压。双向DC/DC仅处理系统总功率的一小部分，使得部分功率变换器系统效率及功率密度大幅提高。统效率及功率密度大幅提高。统效率及功率密度大幅提高。

【技术实现步骤摘要】
一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法


[0001]本专利技术属于直流电池储能变换器
，具体涉及一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法。

技术介绍

[0002]可再生能源发电具有间歇性和不稳定性，传统交流系统难以胜任，因此大力发展直流配用电系统，同时大量接入电池储能装置。直流电池储能变换器(双向DC/DC)作为连接电池与直流母线的电力电子接口，起到调整电压、控制电池充放电、实现电能双向传输的重要作用。
[0003]现有直流电池储能变换器普遍采用全功率的结构，即电池和直流母线之间传输的电能全部流经变换器；极少直流电池储能变换器采用部分功率的结构，即变换器内部的双向DC/DC仅处理系统总功率的一部分就能实现系统全部功率的传输。
[0004]对于传统全功率结构来说，随着电池储能装置功率等级提高，作为电能变换接口的全功率直流电池储能变换器功率等级也随之提高，导致其体积增大、成本提高、效率降低、散热设计困难；对于部分功率结构来说，其能解决全功率方案的弊端，但现有部分功率直流电池储能变换器只能实现升压电池充电、电池放电降压或升压电池放电、电池充电降压两个象限工作，这使得部分功率的优越性能无法充分发挥，即变换器内部DC/DC处理的部分功率不能达到最小值。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法，用于解决部分功率直流电池储能变换器只能双象限运行，即电池充电升压、电池放电降压或电池放电升压、电池充电降压，导致部分功率变换器内部双向DC/DC处理的部分功率较大的技术问题。
[0006]本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种双向升降压四象限部分功率变换器，包括双极性的双向DC/DC，双向DC/DC的第一正极端和第二正极端分别经直流母线接地连接，双向DC/DC的第一负极端接地，第二负极端经储能电池后接地连接；直流母线的电压等于储能电池电压加双向DC/DC第二正极端电压；当直流母线的电压大于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为正电压；当直流母线的电压小于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为负电压。
[0008]具体的，双向DC/DC包括前级的双向单极性LLC谐振电路，前级的双向单极性LLC谐振电路级联后级的双向双极性H桥电路，双向单极性LLC谐振电路用于预调压并实现软开关；双向双极性H桥电路用于输出正电压或负电压，通过二次调压以补偿储能电池和直流母线间的电压差值，同时控制储能电池充放电。
[0009]进一步的，双向单极性LLC谐振电路使用定频控制，双向双极性H桥电路使用电压外环电感电流内环的双闭环PI控制。
[0010]进一步的，双向单极性LLC谐振电路包括输入滤波电容C1，输入滤波电容C1的一端连接直流母线，另一端依次经原边逆变电路、谐振电路、隔离变压器T和副边整流电路连接输出滤波电容C2的一端，输出滤波电容C2的另一端连接后级双向双极性H桥电路。
[0011]更进一步的，原边逆变电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，开关管S1和开关管S3的漏极连接直流母线正极，开关管S2和开关管S4的源极连接直流母线负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极依次连接谐振电容C
r
和谐振电感L
r
后分两路，一路连接变压器励磁电感L
m
的一端，另一路连接隔离变压器T的原边，开关管S3的源极和开关管S4的漏极连接变压器励磁电感L
m
的另一端和隔离变压器T的原边；副边整流电路包括开关管S5、开关管S6、开关管S7和开关管S8，开关管S5和开关管S7的漏极连接输出滤波电容C2的一端，开关管S6和开关管S8的源极连接输出滤波电容C2的另一端，开关管S5和开关管S7的源级和开关管S6和开关管S8的漏极连接隔离变压器T的副边。
[0012]再进一步的，励磁电感峰值电流I
pk
与死区时间T
dead
关系如下：
[0013][0014]谐振电感L
r
和谐振电容C
r
关系如下：
[0015][0016]其中，C
oss
为开关管的结电容，V
LLCin
为LLC输入电压，f
s
为系统开关频率。
[0017]进一步的，双向双极性H桥电路包括逆变电路，逆变电路分两路，一路经滤波电感L分别连接直流母线的正极和滤波电容C3的一端，第二路和滤波电容C3的另一端分别连接储能电池的正极。
[0018]更进一步的，逆变电路包括开关管S9、开关管S
10
、开关管S
11
和开关管S
12
，开关管S9和开关管S
11
的漏极连接前级双向单极性LLC谐振电路的一端，开关管S
10
和开关管S
12
的漏极连接前级双向单极性LLC谐振电路的另一端，开关管S9的源极和开关管S
10
的漏极连接滤波电感L的一端，开关管S
11
的源极和开关管S
12
的漏极连接储能电池的正极，储能电池的负极与直流母线的负极共地连接。
[0019]再进一步的，电感电流纹波ΔI
L
的关系如下：
[0020][0021]滤波电容C3的关系如下：
[0022][0023]其中，U
Hin
为H桥输入电压，f
s
为系统开关频率。
[0024]本专利技术的另一技术方案是，一种双向升降压四象限部分功率变换器的控制方法，双向单极性LLC谐振电路使用定频PWM控制策略，始终工作在谐振点，通过改变开关管的占空比或在电路参数设计时改变隔离变压器T的匝数比调整输出电压；
[0025]双向双极性H桥电路使用电压电流双闭环PI控制，外环为电压环，控制H桥滤波电
容C3电压追踪直流母线和电池电压差值；内环为电流环，控制H桥滤波电感L的电流以追踪电池的充放电电流，将输出值作为调制信号对开关管进行PWM控制。
[0026]与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0027]本专利技术一种双向升降压四象限部分功率变换器，双向DC/DC能够输出双极性电压，从而实现四象限工作，即电池电压高于直流母线电压电池充电、电池电压高于直流母线电压电池放电、电池电压低于直流母线电压电池充电、电池电压低于直流母线电压电池放电，变换器四象限工作能够显著降低部分功率变换器内部双向DC/DC处理的部分功率占系统总功率的比，进一步提高效率及功率密度，有效控制电池充放电；变换器的特定连接方式使得内部双向DC/DC仅处理系统总功率的一小部分，即实现部分功率。内部双向双极性DC/DC能够改变输出电压的正负，从而实时补偿电池和直流母线的电压差值。
[0028]进一步的，在变换器内部双向DC/DC中，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种双向升降压四象限部分功率变换器，其特征在于，包括双极性的双向DC/DC，双向DC/DC的第一正极端和第二正极端分别经直流母线接地连接，双向DC/DC的第一负极端接地，第二负极端经储能电池后接地连接；直流母线的电压等于储能电池电压加双向DC/DC第二正极端电压；当直流母线的电压大于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为正电压；当直流母线的电压小于储能电池电压时，双向DC/DC第二正极端电压为负电压。2.根据权利要求1所述的双向升降压四象限部分功率变换器，其特征在于，双向DC/DC包括前级的双向单极性LLC谐振电路，前级的双向单极性LLC谐振电路级联后级的双向双极性H桥电路，双向单极性LLC谐振电路用于预调压并实现软开关；双向双极性H桥电路用于输出正电压或负电压，通过二次调压以补偿储能电池和直流母线间的电压差值，同时控制储能电池充放电。3.根据权利要求2所述的双向升降压四象限部分功率变换器，其特征在于，双向单极性LLC谐振电路使用定频控制，双向双极性H桥电路使用电压外环电感电流内环的双闭环PI控制。4.根据权利要求2所述的双向升降压四象限部分功率变换器，其特征在于，双向单极性LLC谐振电路包括输入滤波电容C1，输入滤波电容C1的一端连接直流母线，另一端依次经原边逆变电路、谐振电路、隔离变压器T和副边整流电路连接输出滤波电容C2的一端，输出滤波电容C2的另一端连接后级双向双极性H桥电路。5.根据权利要求4所述的双向升降压四象限部分功率变换器，其特征在于，原边逆变电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，开关管S1和开关管S3的漏极连接直流母线正极，开关管S2和开关管S4的源极连接直流母线负极，开关管S1的源极和开关管S2的漏极依次连接谐振电容C
r
和谐振电感L
r
后分两路，一路连接变压器励磁电感L
m
的一端，另一路连接隔离变压器T的原边，开关管S3的源极和开关管S4的漏极连接变压器励磁电感L
m
的另一端和隔离变压器T的原边；副边整流电路包括开关管S5、开关管S6、开关管S7和开关管S8，开关管S5和开关管S7的漏极连接输出滤波电容C2的一端，开关管S6和开关管S8的源极连接输出滤波电容C2的另一端，开关管S5和开关管S7的源级和开关管S6和开关管S8的漏极连接隔离变压器T的副边。6.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：王丰，陶星澳，卓放，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：