T Q6的控制信号为逻辑低电平，即MOSFET Q6完全关断，MOSFET Q5的 控制信号为频率为20kHz，其占空比为PIDcmt的脉冲序列。此时，在电感电流连续的情况下， P1D , 输出电压匕'基于隔离型全桥双向DC/DC变换器和双向升降压DC/DC变换器的控 1 以cmt 制，实现了当新能源发电系统输出电压过高时关键负载两端电压的稳定。
[0042] 当双向升降压DC/DC变换器输出负功率时，即Boost-Buck电路II则负责Vm到 Vbattery的单向能量传递，此时MOSFET Q5的控制信号为逻辑低电平，即MOSFET Q5完全关断； MOSFET Q6的控制信号为频率为20kHz，其占空比为PIDcmt的脉冲序列。此时，此时，在电感电 1 - PID 流连续的情况下，输出电压基于隔离型全桥双向DC/DC变换器和双向升降压 out DC/DC变换器的控制，，=实现了当新能源发电系统输出电压过低时关键负载两端电压的稳 定。
[0043] 为了分析的方便，给出了接有直流电力弹簧的新能源发电系统的等效电路如图4 所示，R:为输电线路上的线阻及发电装置内阻之和;R 2为蓄电池内阻及电池充放电线路上线 阻之和;V。为关键负载的端电压，该电压又等于非关键负载电压Vn。及与之串联的Η桥输出电 压Vcbd。之和。
[0044] 当关键负载侧端电压V。大于给定值Vrrf时，Si闭合，控制V&d。输出负电压到非关键 负载;此时Rn。等效电阻变小，Rn。等效负载变大，同时蓄电池恒流充电。
[0045] 当关键负载侧端电压V。小于给定值Vrrf时，Si闭合，蓄电池处于放电状态;此时新能 源发电系统的输出功率偏小，为优先保证关键负载的供电质量，控制V d c d c输出正电压到非 关键负载;此时Rn。等效电阻变大，Rn。等效负载变小。
[0046] 上述过程中，Η桥实现了双向升降压DC/DC变换器的输出电压极性的转换，其工作 原理相当于将一块电压可变的蓄电池选择性地与非关键负载正接或反接，由于图1中全桥 DC/DC变换器与双向升降压DC/DC变换器的输出由于变压器h的磁隔离效果而不存在电气 连接，因而双向升降压DC/DC变换器在电路中接入方式的改变对全桥DC/DC变换器没有影 响。图5所示Η桥工作示意图，图中电池电压V battery为双向升降压DC/DC的输入，Vm为其输出， 通过图2中对双向升降压DC/DC电路的分析可知￥"始终是正电压。若规定Η桥输出端并联的 电容&上端电压正极性，下端电压负极性为电压的参考方向；根据不同的控制要求，当开关 管Tl、T4导通，T2、T3截止，Vdcdc输出正电压；当开关管T2、T3导通，Tl、T3截止，Vdcdc输出负电压。 [0047]为了进一步说明直流电力弹簧装置(DCES)中隔离型全桥双向DC/DC变换器和双向 升降压DC/DC变换器的协调控制，引入功率流向和工作模态的概念。DCES中的隔离型全桥双 向DC/DC变换器，双向升降压DC/DC变换器均可以完成能量的双向传递，若以功率流向划分， 理论上DCES装置最多可能有4种工作状态。但通过对DCES在供电系统中的接入方式的分析， 从发电侧和负载侧功率平衡的角度来看，DCES的工作状态总是应该使整体符合趋近发电功 率，因此在实际工作中DCES只可能工作于图6中的两种状态，下面对这两种工作状态做简要 分析。当新能源发电输出电压大于给定时，双向升降压DC/DC变换器输出正功率，隔离型全 桥DC/DC变换器对直流母线输出负功率。新能源发电系统输出电压小于给定时，双向升降压 DC/DC变换器输出负功率，隔离型全桥隔离DC/DC变换器对直流母线输出正功。DCES工作于 母线电压不断变化的工况时，在上述两种工作状态之间反复切换。
[0048]功率流向说明了直流电力弹簧装置各模块之间的互动，工作模态则具体反映了模 块内部开关器件的通断、电感电流的上升下降、电容的充放电等。为了方便分析，假设各元 件寄生参数忽略不计，开关管均为理想器件且各桥臂上管同步导通。上述中给出的两种功 率流向分别对应两类工作模态，现结合图1，图2做分析如下。
[0049] 模态I，如图6(a)所示：
[0050]图1中隔离型全桥DC/DC电路中Q2、Q3、Q2 '、Q3 '导通，其余开关管关断，电感Li的电流 iu为负;Η桥中T2、T3导通，I\、T4截止，Η桥输出端电压为负。
[0051 ]图2中双向升降压DC/DC电路中Q2始终关断，Qi开通时，电感L2%流上升，能量储存 于电感L2的磁芯中;Qi关断时，储存于电感L2的磁芯中的能量释放，电感L2电流下降。
[0052] 模态II，如图6(b)所示：
[0053]图1中隔离型全桥DC/DC电路中&、〇4、〇1'、〇4'导通，其余开关管关断，电感电流^ 1 为正;Η桥中Ti、T4导通，T2、T3截止，Η桥输出端电压为正。
[0054]图2中双向升降压DC/DC电路中Gh始终关断，Q2开通时，电感L2%流上升，能量储存 于电感L2的磁芯中;Q2关断时，储存于电感L2的磁芯中的能量释放，电感L2电流下降。
[0055]模态I对应关键负载电压V。大于参考值的情况，此时非关键负载端电压Vn。大于V。 同时母线电压通过隔离型全桥DC/DC变换器对蓄电池充电，双向升降压DC/DC变换器通过Η 桥输出负电压，正功率，双向升降压DC/DC变换器通过抬高非关键负载端电压Vnc的方式将蓄 电池充电能量的一部分消耗在非关键负载上。模态II对应关键负载电压V。小于参考值的情 况，此时母线电压由全桥DC/DC装置提供，双向升降压DC/DC通过Η桥输出正电压，负功率，双 向升降压DC/DC变换器输出正电压并与非关键负载串联的方式将蓄电池提供给母线电压能 量的一部分回收，并且非关键负载端电压V n。小于V。，非关键负载等效负载减小。这两种模态 的工作目的都是为了在通过对非关键负载端电压的调节，保持关键负载电压恒定的情况下 尽量减小对电池容量要求。
[0056]上述内容均为对直流电力弹簧装置工作的理论分析，出于论证的严密性，在 Simulink仿真环境对直流电力弹簧装置进行仿真验证。在操作过程中，为了仿真分析的方 便高效，仿真时设置蓄电池组的电压V battery为48V;滤波电容C3选择电解电容2200uF，且并接 有高频CBB电容luF;关键负载R c选取纯电阻2000Ω，用50Ω的纯电阻代替非关键负载Rnc，输 电线等效电阻Ri为2 Ω、隔离型全桥双向DC/DC原边等效电感可再生能源发电产生 的直流电网电压VinS考值为110V。
[0057]图7到9为仿真的结果，从图7可以看出，当输入电压为90V时，关键负载电压V。被控 制在110V，同时非关键负载电压Vnc小于110V;图8中，输入电压为123V，远大于正常值时，关 键负载电压V。依然被控制在110V，但是非关键负载的电压V nc却上升到了 270V左右，非关键 负载的等效电阻较其初始值变大。图9中输入电压为114V，供电系统工作于正常状态，直流 电力弹簧装置不启动。上述仿真结果验证了上述结论，即直流电力弹簧装置可以主动的根 据发电量变化调整非关键负载大小，从而实现发电侧与用电侧的功率平衡，进而使非关键 负载电压精确地跟踪给定值。
[0058]上述的拓扑结构中，非关键负载Rnc与关键负载Rc不唯一，即供电系统中可以接入 多组关键负载和非关键负载，每个非关键负载即可以单独配置一套所述的直流电力弹簧装 置;也可以只配置与其串联的所述双向升降压DC/DC装置，并共享所述的全桥双向DC/DC装 置。
[0059]以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为 限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权 利要求书中记载的保护范围内。本发明提出的DCES的相关控制技术，可以应用到电动汽车 充电控制。
【主权项】
1. 一种基于升降压式和隔离型DC/DC电路的直流电力弹簧拓扑，其特征在于:包括隔离 型全桥双向DC/DC变换器、双向升降压DC/DC变换器、Η桥以及储能装置;所述双向升降压DC/ DC变换器、隔离型全桥DC/DC变换器的输入端并联在储能装置的两端，关键负载并联在所述 全桥双向DC/DC变换器的输出端;所述双向升降压DC/DC变换器的输出端与所述Η桥级联，级 联后的输出电压与非关键负载串联后再与所述关键负载并联;新能源发电系统输出电压的 正极性端连接电阻的一端，所述电阻的另一端与所述关键负载及非关键负载的公共端相 连，所述电阻为新能源发电系统到负载的输电线等效电阻及发电装置内阻之和，所述关键 负载两端并联有滤波电容。2. 根据权利要求1所述的一种基于升降压式和隔离型DC/DC电路的直流电力弹簧拓扑， 其特征在于:所述双向升降压DC/DC变换器为半桥结构双向升降压DC/DC变换器、正激结构 双向升降压DC/DC变换器。3. 根据权利要求1所述的一种基于升降压式和隔离型DC/DC电路的直流电力弹簧拓扑， 其特征在于:所述储能装置为蓄电池组，或是能量双向的AC/DC或DC/DC电源。4. 基于权利要求1所述的一种基于升降压式和隔离型DC/DC电路的直流电力弹簧拓扑 的控制方法，其特征在于，包括如下步骤： 1) ，采集关键负载两端的输入电压V。； 2) ，将所述电压V。与关键负载供电电压参考值Vyrf作差运算得到误差信号Ε1; 3) ，将所述误差信号E1经过比例积分控制，其输出值经过限幅后得到误差信号为PIDQUt， 并判断所述?1〇_的正负； 4) ，当关键负载两端电压大于参考值时，所述PIDQUt为正，控制所述隔离型全桥双向DC/ DC变换器对直流母线输出负功率，同时控制所述双向升降压DC/DC变换器输出正功率，并控 制所述Η桥输出负电压； 当关键负载两端电压小于参考值时，所述PIDout为负，控制所述隔离型全桥双向DC/DC 变换器对直流母线输出正功率，同时控制所述双向升降压DC/DC变换器输出负功率，并控制 所述_乔输出正电压。
【专利摘要】本发明公开了一种基于升降压式和隔离型DC/DC电路的直流电力弹簧拓扑及其控制方法，基于当前ES对关键负载和非关键负载的定义，当可再生能源发电输出的直流电压偏离正常值时，DCES通过对非关键负载等效阻值的动态调节，实现供电与负荷能量的动态平衡，进而稳定关键负载的端电压。本发明实用价值高、易于推广，特别适用于普通家庭和小区的屋顶光伏发电系统和小型风力发电系统。并且，由于非关键负载承担了相当一部分的功率波动，对蓄电池组的容量充放电容量要求明显减小，降低了储能装置成本。
【IPC分类】H02J1/14
【公开号】CN105514968
【申请号】CN201510874457
【发明人】程明, 王青松, 姜云磊
【申请人】东南大学
【公开日】2016年4月20日
【申请日】2015年12月3日