CN108306281A - 一种基于双向全桥dc/dc变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法 - Google Patents

一种基于双向全桥dc/dc变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及直流微电网领域，具体是一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法。本发明解决了传统多端口变换器的端口没有隔离，能量单向流动，使用场合、电压等级有限制，成本高的问题。该四端口总共有四个对外的连接端口，其中，两个连接光伏发电单元，一个连接储能***，另一个连接直流母线。两个光伏发电单元和储能***之间用Boost变换器连接，保障了能量来源的可靠性；储能***和直流母线之间用双向全桥DC/DC变换器连接，能量可以双向流动，而且实现了隔离。本发明详细设计了储能***、光伏发电单元与直流母线的功率交换机制，稳定直流母线电压，保障了供电的稳定性。本发明适用于直流微电网，具有良好的技术经济性。

Description

一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器 及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流微电网领域，具体是一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法。
背景技术
随着日益严重的能源危机和环境污染，太阳能光伏(PV)和风能等可再生能源越来越多地被使用。然而，可再生能源的间断性和负荷需求的不可预测性给这些清洁能源的广泛推广带来了挑战。多端口变换器是把各个互相独立的DC/DC变换器集中，形成一个具有多个端口的变换器。将多端口变换器应用到微电网中去，可以取代***中各个分立的两端口变换器，减少使用功率器件和无源器件的数量，从而降低成本，提高光伏的发电效率和功率密度。微电网中多端口变换器可以同时连接和控制多个电源端口，并具有功率密度高、效率高、动态性能好以及结构紧凑的特点，已成为国内外学者研究的热点，同时也在工业领域得到越来越广泛的应用。
针对多端口变换器电路拓扑，国内外学者已经进行了大量的研究，并且提出了一些多端口变换器电路拓扑结构。一些文献提出了几种不同的端口变换器电路拓扑结构，但多个端口只能单向传输能量到其中一个端口，降低了微网的灵活性。还有一些提出了一种非隔离型三端口DC/DC变换器电路拓扑结构，该结构可以减少组件数量，而且结构紧凑。但由于所有的三端口直接连接，端口之间没有隔离，只适用于不需要电流绝缘的场合，同时其电压只能通过占空比来调制，电压增益是有限，且能量不能双向流动。因此，有关学者设计了一种隔离型变换器，采用高频变压器实现了端口隔离，同时很好地匹配不同端口间的不同电压等级，并实现能量双向流动。然而，这种变换器中使用的元件数量非常大，成本过高，而且效率受到影响，造成很大的浪费。因此，现有多端口变换器均存在诸多缺陷，限制了其推广使用。
发明内容
本发明为了解决传统多端口变换器的端口没有隔离，能量单向流动，使用场合、电压等级有限制，成本高的问题，提供了一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器及其控制方法。实际微网中只需要实现直流母线和直流电源之间的隔离，各电源之间无需隔离，采用部分隔离型设计可以在保证可靠性的前提下降低成本。
本发明是采用如下技术方案实现的：一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器，包括两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器，两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器形成四个对外的连接端口，其中，两个端口连接光伏发电单元，一个端口连接储能***，另一个端口连接直流母线，光伏发电单元和储能***之间用Boost变换器连接，储能***和直流母线之间用双向全桥DC/DC变换器连接。
上述的一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器，其控制方法包括光伏发电单元控制方法和能量双向流动控制方法，能量双向流动控制方法中有包括储能***控制方法和双向全桥DC/DC变换器控制方法。
光伏发电单元控制方法为：光伏发电单元出口电压电流U pv、I pv输入到MPPT模块，经运算得到占空比指令，再经过PWM调制得到Boost变换器中IGBT的控制信号，通过控制IGBT的通断实现光伏最大功率跟踪。
储能***控制方法采用基于直流母线的电压U dc的下垂控制，从而实现储能***对母线电压的调节，为避免U dc正常小范围波动时双向全桥DC/DC变换器导通，对直流母线电压进行分区控制，设定U L2、U L1、U H1、U H2为储能***充放电工作的电压阈值，[U L1,U H1] 为双向全桥DC/DC变换器非工作区，[U L2,U H2]为直流微电网正常运行时母线电压允许波动范围，通过检测U dc，根据下垂特性可计算出储能***充/放电电流的参考值I ref，当U L1≤U dc ≤U H1时，储能***不进行充放电；当U H1<U dc≤U H2时，储能***充电；当U L2≤U dc <U L1时，储能***放电。
双向全桥DC/DC变换器控制方法采用单移相闭环控制，首先储能***给定参考电压U dcref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双向全桥DC/DC变换器的开关管进行PWM调制。
本发明所提供的上述一切基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离性四端口变换器及其控制方法，与现有的技术相比，所具有的优点与积极效果在于：（1）通过双向全桥DC/DC变换器能更好地匹配不同端口间的不同电压等级，且实现能量双向流动和电气隔离。（2）相对于非隔离型与隔离型多端口变换器，部分隔离型四端口变压器既能满足大多场合的使用，又能减少开关管的使用，节省成本。（3）双向全桥DC/DC变换器采用移相控制有利于能量的管理优化，同时易于实现功率开关管软开关。（4）通过设计两个光伏输入端口更好的匹配与DC/DC变换器的传输功率。
附图说明
图1是本发明基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器结构图。
图2是本发明所涉及四端口变换器控制框图。
图3是本发明所涉及四端口变换器工作模式的能量流动图，图中：（a）表示光伏发电单元与储能***共同给直流母线提供能量，（b）表示光伏发电单元为储能***与直流母线提供能量，（c）表示光伏发电单元不发电，储能***给直流母线提供能量。
具体实施方式
一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器，包括两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器，两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器形成四个对外的连接端口，其中，两个端口连接光伏发电单元，一个端口连接储能***，另一个端口连接直流母线，光伏发电单元和储能***之间用Boost变换器连接，储能***和直流母线之间用双向全桥DC/DC变换器连接。
上述的基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器的控制方法，其具体展开如下：包括光伏发电单元控制方法和和能量双向流动控制方法，能量双向流动控制方法中有包括储能***控制方法和双向全桥DC/DC变换器控制方法。
光伏发电单元控制方法：光伏发电单元工作于最大功率跟踪（MPPT）模式，光伏单位出口电压电流U pv、I pv输入到MPPT模块，经运算得到占空比指令，再经过PWM调制得到Boost变换器中IGBT的控制信号，通过控制IGBT的通断实现光伏最大功率跟踪。
储能***控制方法：储能***的充放电是通过光伏发电单元所提供的能量与直流负荷所需能量的供需关系决定的，目标是维持直流母线电压稳定。储能***通过双向全桥DC/DC变换器与直流母线进行能量交换，变换器采用基于直流母线的电压U dc的下垂控制，从而实现储能***对母线电压的调节。为避免U dc正常小范围波动时变换器导通，对直流母线电压进行分区控制，设定U L2、U L1、U H1、U H2为储能***充放电工作的电压阈值，[U L1,U H1] 为变换器非工作区，[U L2,U H2]为直流微电网正常运行时母线电压允许波动范围。通过检测U dc，根据下垂特性可计算出储能***充/放电电流的参考值I ref，当U L1≤Udc≤U H1时，储能***不进行充/放电；当U H1<U dc≤U H2时，储能***充电；当U L2≤U dc <U L1时，储能***放电。
双向全桥DC/DC变换器控制方法采用单移相闭环控制，首先储能***给定参考电压U dcref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双向全桥变换器的开关管进行PWM调制。

Claims (2)

1.一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器，其特征在于包括两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器，两个Boost变换器和一个双向全桥DC/DC变换器形成四个对外的连接端口，其中，两个端口连接光伏发电单元，一个端口连接储能***，另一个端口连接直流母线，光伏发电单元和储能***之间用Boost变换器连接，储能***和直流母线之间用双向全桥DC/DC变换器连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于双向全桥DC/DC变换器的部分隔离型四端口变换器，其特征在于其控制方法包括光伏发电单元控制方法和能量双向流动控制方法，能量双向流动控制方法中有包括储能***控制方法和双向全桥DC/DC变换器控制方法；
光伏发电单元控制方法：光伏发电单元出口电压电流U pv、I pv输入到MPPT模块，经运算得到占空比指令，再经过PWM调制得到Boost变换器中IGBT的控制信号，通过控制IGBT的通断实现光伏最大功率跟踪；
储能***控制方法采用基于直流母线的电压U dc的下垂控制，从而实现储能***对母线电压的调节，为避免U dc正常小范围波动时双向全桥DC/DC变换器导通，对直流母线电压进行分区控制，设定U L2、U L1、U H1、U H2为储能***充放电工作的电压阈值，[U L1,U H1] 为双向全桥DC/DC变换器非工作区，[U L2,U H2]为直流微电网正常运行时母线电压允许波动范围，通过检测U dc，根据下垂特性可计算出储能***充/放电电流的参考值I ref，当U L1≤U dc ≤U H1时，储能***不进行充放电；当U H1<U dc≤U H2时，储能***充电；当U L2≤U dc <U L1时，储能***放电；
双向全桥DC/DC变换器控制方法采用单移相闭环控制，首先储能***给定参考电压U dcref与直流母线电压U dc相比较后送入电压PI调节器，电压PI调节器输出值经过限幅器后得出移相占空比D 1的值，然后移相占空比D 1经过移相PWM发生器输出经过移相的PWM波形对双向全桥DC/DC变换器的开关管进行PWM调制。
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