CN113162432A - 交错并联三端口隔离型dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

交错并联三端口隔离型DC‑DC变换器，属于电能变换技术领域，本发明为解决现有三端口隔离型DC‑DC变换器各端口存在功率耦合、待机端口瞬时功率不为零而导致的无法实现各端口传输功率精确控制，以及工作效率较低的问题。它包括第一变换器、第二变换器、第三变换器和三绕组隔离变压器；第一变换器连接三绕组隔离变压器的第一绕组，第二变换器连接三绕组隔离变压器的第二绕组，第三变换器连接三绕组隔离变压器的第三绕组；第一变换器的功率开关S1～S4构成桥式变换器，然后通过电感L1、L2和电容C1构成交错并联变换器，桥式变换器同时与电感Lr1和电容Cr1构成谐振变换器。本发明用于实现多发电源和储能源互联。

Description

交错并联三端口隔离型DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及一种交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，属于电能变换技术领域。
背景技术
多源发电***是将可再生发电源、蓄电池、超级电容等多种发电源与储能源相融合的技术，目前，多源发电***已成为人类能源利用的发展趋势。三端口双向高频隔离型DC-DC变换器可实现多发电源/储能源互联，并可提高功率密度，降低***成本，在多源发电***中具有广阔的应用前景。
目前，隔离型三端口双向DC-DC变换器主要通过三绕组高频变压器连接各端口变换器，实现三个端口之间的功率传输和各端口间的电气隔离。按照各端口变换器储能方式分类，现有拓扑主要可以分为电感储能型、谐振型以及混合型。
其中，电感储能型存在无法在拓扑层面实现端口间的功率解耦的问题。针对该问题，目前有基于移相角补偿的功率解耦控制方法，但该方法会造成***控制难度增加，并在高频变换环节产生额外的无功功率，增加功率损耗。另外，由于采用电感储能，其电流峰值至少为平均有效电流的2倍，造成功率器件电流应力较大，***损耗和成本相应增加。
谐振型变换器的电流峰值与平均有效电流的比约为1.6，电流应力得以显著降低，但是仍然存在各端口产生功率耦合的问题，一种解决方案是通过增加开关频率/谐振频率的比值，降低端口间的功率耦合度的控制策略，在传输相同功率时，频率比越大，功率耦合度越低，但该方法并不能实现功率完全解耦，且当开关频率远离谐振频率时，高频变换环节的无功功率较大，造成***损耗和电流应力随之增加，降低了功率器件额定容量的利用率，也削弱了三端口变换器在集成度方面的优势。
另外，现有拓扑普遍采用储能元件、发电源与变换器的直流端口直接相连的方式。在蓄电池、超级电容等混合储能***中，在端口需处于待机状态时，一种简单方案是使所在端口功率器件均保持关断。但此时功率仍可能通过功率器件的反并联二极管传输到储能元件，一方面无法实现待机端口的零功率输入/输出，可能会造成容量处于临界状态的储能装置存在过充/过放损坏等安全隐患。目前通过控制器外移相角实现其平均传输功率为零的控制策略使得待机端口被动参与工作，仍然无法实现零瞬时输入/输出功率，无疑造成额外的功率损耗。
发明内容
本发明目的是为了解决现有三端口隔离型DC-DC变换器各端口存在功率耦合、待机端口瞬时功率不为零而导致的无法实现各端口传输功率精确控制，以及工作效率较低的问题，提供了一种交错并联三端口隔离型DC-DC变换器。
本发明所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，它包括第一变换器、第二变换器、第三变换器和三绕组隔离变压器；
第一变换器连接三绕组隔离变压器的第一绕组，第二变换器连接三绕组隔离变压器的第二绕组，第三变换器连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
所述第一变换器包括功率开关S1～S4、电感L1、L2、Lr1、电容C1和Cr1；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端、功率开关S2的一端和电感Lr1的一端，电感L2的一端同时连接功率开关S3的一端、功率开关S4的一端和电容Cr1的一端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端、电容C1的另一端和直流电源v1的负极，直流电源v1的正极同时连接电感L1的另一端和电感L2的另一端，电感Lr1的另一端连接第一绕组的一端，电容Cr1的另一端连接第一绕组的另一端；
所述第二变换器包括功率开关S5～S8、电感L3、L4、Lr2、电容C2和Cr2；
电感L3的一端同时连接功率开关S5的一端、功率开关S6的一端和电感Lr2的一端，电感L4的一端同时连接功率开关S7的一端、功率开关S8的一端和电容Cr2的一端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端和电容C2的一端，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端、电容C2的另一端和直流电源v2的负极，直流电源v2的正极同时连接电感L3的另一端和电感L4的另一端，电感Lr2的另一端连接第二绕组的一端，电容Cr2的另一端连接第二绕组的另一端；
所述第三变换器包括功率开关S9～S12、电感Lr3、电容C31、C32和Cr3；
电感Lr3的一端同时连接功率开关S9的一端和功率开关S10的一端，电容Cr3的一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端，功率开关S9的另一端同时连接电容C31的一端和直流电源v3的正极，电容C31的另一端同时连接功率开关S10的另一端、功率开关S11的另一端和电容C32的一端，电容C32的另一端同时连接功率开关S12的另一端和直流电源v3的负极，电感Lr3的另一端连接第三绕组的一端，电容Cr3的另一端连接第三绕组的另一端。
优选的，所述第一变换器的功率开关S1～S4构成桥式变换器，然后通过电感L1、L2和电容C1构成交错并联变换器，桥式变换器同时与电感Lr1和电容Cr1构成谐振变换器。
优选的，所述第三变换器的功率开关S9～S12、电容C31和C32构成半桥三电平变换器，所述电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络。
优选的，所述电容C31和C32的容值相等。
优选的，将该变换器的开关频率设置为与电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络的谐振频率相等。
本发明的优点：本发明提出的交错并联三端口隔离型DC-DC变换器实现了各端口传输功率的解耦以及待机端口的瞬时功率保持为零。优点有：
1、在拓扑层面保证了各端口传输功率的精确独立控制，从而获得优良控制性能的同时，有效降低了控制算法的复杂度；
2、保持待机端口的零瞬时功率，有效提高了工作效率；
3、采用半桥三电平变换器，有效降低了***成本。
附图说明
图1是本发明所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器的结构示意图；
图2是本发明所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器处于待机端口的电流流通路径图；
图3是本发明所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器在连接于直流微电网的蓄电池和超级电容混合储能***的一种实际应用方案图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，它包括第一变换器1、第二变换器2、第三变换器3和三绕组隔离变压器；
第一变换器1连接三绕组隔离变压器的第一绕组，第二变换器2连接三绕组隔离变压器的第二绕组，第三变换器3连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
所述第一变换器1包括功率开关S1～S4、电感L1、L2、Lr1、电容C1和Cr1；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端、功率开关S2的一端和电感Lr1的一端，电感L2的一端同时连接功率开关S3的一端、功率开关S4的一端和电容Cr1的一端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端、电容C1的另一端和直流电源v1的负极，直流电源v1的正极同时连接电感L1的另一端和电感L2的另一端，电感Lr1的另一端连接第一绕组的一端，电容Cr1的另一端连接第一绕组的另一端；
所述第二变换器2包括功率开关S5～S8、电感L3、L4、Lr2、电容C2和Cr2；
电感L3的一端同时连接功率开关S5的一端、功率开关S6的一端和电感Lr2的一端，电感L4的一端同时连接功率开关S7的一端、功率开关S8的一端和电容Cr2的一端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端和电容C2的一端，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端、电容C2的另一端和直流电源v2的负极，直流电源v2的正极同时连接电感L3的另一端和电感L4的另一端，电感Lr2的另一端连接第二绕组的一端，电容Cr2的另一端连接第二绕组的另一端；
所述第三变换器3包括功率开关S9～S12、电感Lr3、电容C31、C32和Cr3；
电感Lr3的一端同时连接功率开关S9的一端和功率开关S10的一端，电容Cr3的一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端，功率开关S9的另一端同时连接电容C31的一端和直流电源v3的正极，电容C31的另一端同时连接功率开关S10的另一端、功率开关S11的另一端和电容C32的一端，电容C32的另一端同时连接功率开关S12的另一端和直流电源v3的负极，电感Lr3的另一端连接第三绕组的一端，电容Cr3的另一端连接第三绕组的另一端。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述第一变换器1的功率开关S1～S4构成桥式变换器，然后通过电感L1、L2和电容C1构成交错并联变换器，桥式变换器同时与电感Lr1和电容Cr1构成谐振变换器。
本实施方式中，所述交错并联变换器一方面能够实现升压运行，另一方面能够保证直流电源v1的工作电流保持连续和低纹波；所述谐振变换器能够实现第一端口传输功率的调节。
本发明中，第二变换器2和第一变换器1的结构相同，工作原理也相同，在保证直流电源v1的工作电流保持连续和低纹波的同时实现第二端口传输功率的调节。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，所述第三变换器3的功率开关S9～S12、电容C31和C32构成半桥三电平变换器，所述电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络。
具体实施方式四：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三作进一步说明，所述电容C31和C32的容值相等。
本实施方式中，所述电容C31和C32的容值相等，能够保证功率开关S9、功率开关S10、功率开关S11和功率开关S12的耐压值仅为第三端口所连接直流电源v3电压的一半，从而降低***成本。
具体实施方式五：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式三或四作进一步说明，将该变换器的开关频率设置为与电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络的谐振频率相等。
本实施方式中，将整个变换器的开关频率设置为与电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络的谐振频率相等，以实现第一端口直流电源v1和第二端口直流电源v2传输功率的解耦，相互之间互不影响，从而实现各个端口的传输功率的独立调节。
本发明中，结合图2分析本发明提出的三端口变换器处于待机状态端口的瞬时功率保持为零的原理。图2给出了直流电源v1不参与功率传输，即第一变换器处于待机状态下的电流流通路径，由此可知，所有电流均不流过直流电源v1，即保证了待机端口的零瞬时功率，从而保证了***的高工作效率。
最后说明所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器的一种实际应用场合，图3给出了将蓄电池和超级电容混合储能***连接于直流微电网的方案图，其中蓄电池连接于第一变换器，超级电容连接于第二变换器，而第三变换器连接于直流微电网，充分利用所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器所具有的第一变换器和第二变换器的功率解耦特性，实现蓄电池和超级电容传输功率的独立控制，而利用所述交错并联三端口隔离型DC-DC变换器所具有的待机端口零瞬时功率特性，避免处于待机端口的储能元件发生过充等问题，从而为实现超级电容和蓄电池的功率独立精确控制和保证储能元件安全运行奠定基础。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，其特征在于，它包括第一变换器(1)、第二变换器(2)、第三变换器(3)和三绕组隔离变压器；
第一变换器(1)连接三绕组隔离变压器的第一绕组，第二变换器(2)连接三绕组隔离变压器的第二绕组，第三变换器(3)连接三绕组隔离变压器的第三绕组；
所述第一变换器(1)包括功率开关S1～S4、电感L1、L2、Lr1、电容C1和Cr1；
电感L1的一端同时连接功率开关S1的一端、功率开关S2的一端和电感Lr1的一端，电感L2的一端同时连接功率开关S3的一端、功率开关S4的一端和电容Cr1的一端，功率开关S1的另一端同时连接功率开关S3的另一端和电容C1的一端，功率开关S2的另一端同时连接功率开关S4的另一端、电容C1的另一端和直流电源v1的负极，直流电源v1的正极同时连接电感L1的另一端和电感L2的另一端，电感Lr1的另一端连接第一绕组的一端，电容Cr1的另一端连接第一绕组的另一端；
所述第二变换器(2)包括功率开关S5～S8、电感L3、L4、Lr2、电容C2和Cr2；
电感L3的一端同时连接功率开关S5的一端、功率开关S6的一端和电感Lr2的一端，电感L4的一端同时连接功率开关S7的一端、功率开关S8的一端和电容Cr2的一端，功率开关S5的另一端同时连接功率开关S7的另一端和电容C2的一端，功率开关S6的另一端同时连接功率开关S8的另一端、电容C2的另一端和直流电源v2的负极，直流电源v2的正极同时连接电感L3的另一端和电感L4的另一端，电感Lr2的另一端连接第二绕组的一端，电容Cr2的另一端连接第二绕组的另一端；
所述第三变换器(3)包括功率开关S9～S12、电感Lr3、电容C31、C32和Cr3；
电感Lr3的一端同时连接功率开关S9的一端和功率开关S10的一端，电容Cr3的一端同时连接功率开关S11的一端和功率开关S12的一端，功率开关S9的另一端同时连接电容C31的一端和直流电源v3的正极，电容C31的另一端同时连接功率开关S10的另一端、功率开关S11的另一端和电容C32的一端，电容C32的另一端同时连接功率开关S12的另一端和直流电源v3的负极，电感Lr3的另一端连接第三绕组的一端，电容Cr3的另一端连接第三绕组的另一端。
2.根据权利要求1所述的交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，其特征在于，所述第一变换器(1)的功率开关S1～S4构成桥式变换器，然后通过电感L1、L2和电容C1构成交错并联变换器，桥式变换器同时与电感Lr1和电容Cr1构成谐振变换器。
3.根据权利要求1所述的交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，其特征在于，所述第三变换器(3)的功率开关S9～S12、电容C31和C32构成半桥三电平变换器，所述电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络。
4.根据权利要求3所述的交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，其特征在于，所述电容C31和C32的容值相等。
5.根据权利要求3或4所述的交错并联三端口隔离型DC-DC变换器，其特征在于，将该变换器的开关频率设置为与电感Lr3和电容Cr3构成谐振网络的谐振频率相等。
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