双向直流变换器及其控制方法与流程

本发明涉及电力电子器件技术领域，具体涉及双向直流变换器及其控制方法。

背景技术：

基于superboost拓扑结构的直流变换器具有高功率密度、高效率和高可靠性等特点，其能够可靠地将直流电能变换成负载所需的直流电能。但是，目前基于superboost拓扑结构的直流变换器只适用于低压或小功率负载，无法满足高压或大功率负载的直流电能需求。

技术实现要素：

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决如何满足高压大功率直流电能变换需求的技术问题。为此目的，本发明提供了一种双向直流变换器及其控制方法。

在第一方面，本发明提供的双向直流变换器主要包括第一直流端口、第二直流端口、第一开关模块、第二开关模块、第一电容器和电感模块；

所述第一开关模块的一端与所述第一直流端口的正极连接，所述第一开关模块的另一端通过所述电感模块与所述第一直流端口的负极连接，所述第一直流端口的负极与所述第二直流端口的负极直接连接；

所述第二开关模块的一端与所述第一直流端口的正极连接，所述第二开关模块的另一端通过所述电感模块与所述第二直流端口的正极连接；

所述第一电容器的一端与所述第一开关模块的另一端连接，所述第一电容器的另一端与所述第二开关模块的另一端连接。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述电感模块包括第一电感器和第二电感器，

所述第一开关模块的另一端通过所述第一电感器与所述第一直流端口的负极连接；

所述第二开关模块的另一端通过所述第二电感器与所述第二直流端口的正极连接。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述第一开关模块、第二开关模块和第一电容器的数量均是多个，

多个所述第一开关模块串联形成第一串联支路，所述第一串联支路中的首个第一开关模块与所述第一直流端口直接连接，所述第一串联支路中的最后一个第一开关模块与所述第一电感器直接连接；

多个所述第二开关模块串联形成第二串联支路，所述第二串联支路中的首个第二开关模块与所述第一直流端口直接连接，所述第二串联支路中的最后一个第二开关模块与所述第二电感器直接连接；

每个所述第一电容器分别与串联顺序相同的第一开关模块和第二开关模块连接。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述第一开关模块与所述第二开关模块均包括多个串联的全控型半导体开关或者功率子模块。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述功率子模块是半桥功率子模块、全桥功率子模块或箝位双子模块等mmc子模块。

在第二方面，本发明提供的一种双向直流变换器的控制方法主要包括以下步骤：

根据预设的直流变换需求，确定所述第一开关模块和所述第二开关模块中功率子模块的投入数量；

根据所述直流变换需求分别调整所述第一开关模块和所述第二开关模块中所述投入数量对应的功率子模块的工作状态为投入状态，并且调整其他功率子模块的工作状态为切除状态。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

“根据所述直流变换需求分别调整所述第一开关模块和所述第二开关模块中所述投入数量对应的功率子模块的工作状态为投入状态”的步骤具体包括：

根据所述直流变换需求，确定所述双向直流变换器的电能变换方向；

根据所述电能变换方向分别调整所述第一开关模块和所述第二开关模块中所述投入数量对应的功率子模块的工作状态为投入状态。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

“调整其他功率子模块的工作状态为切除状态”的步骤具体包括：

根据所述电能变换方向调整所述功率子模块的工作状态为切除状态。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述控制方法还包括：

当所述双向直流变换器启动或者接入的直流线路发生故障时，根据所述电能变换方向调整所有第一开关模块和所有第二开关模块的工作状态为闭锁状态。

进一步地，本发明提供的一个可选技术方案是：

所述控制方法还包括：

采用最近电平逼近调制法控制所述第一开关模块和第二开关模块的端口电压。

与最接近的现有技术相比，上述技术方案至少具有如下有益效果：

1、本发明提供的双向直流变换器主要包括第一开关模块、第二开关模块、第一电容器和电感模块。具体地，第一开关模块的一端与第一直流端口的正极连接，第一开关模块的另一端通过电感模块与第一直流端口的负极连接，第一直流端口的负极与第二直流端口的负极直接连接。第二开关模块的一端与第一直流端口的正极连接，第二开关模块的另一端通过电感模块与第二直流端口的正极连接。第一电容器的一端与第一开关模块的另一端连接，第一电容器的另一端与第二开关模块的另一端连接。其中，第一开关模块和第二开关模块均包括多个功率子模块。基于上述结构，本发明提供的直流变换器不仅能够实现双向直流变换，还可以通过第一开关模块和第二开关模块进行高压直流电能变换，从而满足高压或高功率负载的直流电能需求。同时，基于上述结构所形成的superboost拓扑结构，本发明提供的直流变换器与常规的直流变换器相比，具有更高的功率密度，可实现更大的升压或降压变比，进而在同等大容量情况下具有成本更低、体积更小、更易于实现等优点。

进一步地，本发明提供的双向直流变换器可以包括多个第一开关模块、多个第二开关模块和多个第一电容器。具体地，多个第一开关模块串联形成第一串联支路，第一串联支路中的首个第一开关模块与第一直流端口直接连接，第一串联支路中的最后一个第一开关模块与第一电感器直接连接。多个第二开关模块串联形成第二串联支路，第二串联支路中的首个第二开关模块与第一直流端口直接连接，第二串联支路中的最后一个第二开关模块与第二电感器直接连接。每个第一电容器分别与串联顺序相同的第一开关模块和第二开关模块连接。基于上述结构，本发明提供的直流变换器可以通过多个第一开关模块和多个第二开关模块实现更高电压等级的直流电能变换，进一步满足高压或高功率负载的直流电能需求。

2、本发明提供的双向直流变换器的控制方法主要包括以下步骤：根据预设的直流变换需求，确定第一开关模块和第二开关模块中功率子模块的投入数量。根据直流变换需求，确定双向直流变换器的电能变换方向。根据电能变换方向分别调整第一开关模块和第二开关模块中投入数量对应的功率子模块的工作状态为投入状态，并且调整其他功率子模块的工作状态为切除状态。基于上述步骤，本发明提供的控制方法可以根据直流变换需求选择地控制第一开关模块和第二开关模块中各功率子模块的工作状态，使得双向直流变换器针对不同的供电电源均能够输出满足直流变换需求的电压，即实现了对双向直流变换器的多电平输入输出控制。

附图说明

图1是本发明实施例中一种双向直流变换器的主要结构示意图；

图2是本发明实施例中图1所示双向直流变换器的电压/电流方向示意图；

图3是本发明实施例中图1所示双向直流变换器的交流电压/电流方向示意图；

图4是本发明实施例中图1所示双向直流变换器的交流电能流动路径示意图；

图5是本发明实施例中图1所示双向直流变换器的直流电压/电流方向示意图；

图6是本发明实施例中图1所示双向直流变换器的直流电能流动路径示意图；

图7是本发明实施例中另一种双向直流变换器的主要结构示意图；

图8是本发明实施例中半桥功率子模块的主要结构示意图；

图9是本发明实施例中全桥功率子模块的主要结构示意图；

图10是本发明实施例中一种双向直流变换器的控制方法的主要步骤示意图；

图11是本发明实施例中半桥功率子模块的电压/电流方向示意图。

图12是本发明实施例中双向直流变换器的仿真结果示意图。

具体实施方式

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

下面结合附图，对本发明提供的双向直流变换器进行说明。

参阅附图1，图1示例性地示出了本实施例中双向直流变换器的主要结构。如图1所示，本实施例中双向直流变换器主要包括第一直流端口(图1中电容c1与该第一直流端口并联)、第二直流端口(图1中电容c2与该第二直流端口并联)、第一开关模块k、第二开关模块r、第一电容器c3和电感模块，其中，电感模块主要包括第一电感器l1和第二电感器l2。

具体地，本实施例中第一开关模块k的一端与第一直流端口的正极连接，第一开关模块k的另一端通过第一电感器l1与第一直流端口的负极连接。第二开关模块r的一端与第一直流端口的正极连接，第二开关模块r的另一端通过第二电感器l2与第二直流端口的正极连接。第一电容器c3的一端与上述的第一开关模块k的另一端连接(即设置于第一开关模块k与第一电感器l1之间)，第一电容器c3的另一端与上述的第二开关模块r的另一端连接(即设置于第二开关模块r与第二电感器l2之间)。

下面结合附图2至6，对本实施例中图1所示双向直流变换器的直流变换工作过程进行说明。

参阅附图2，图2示例性地示出了本实施例中图1所示双向直流变换器的电压/电流方向，其中，第一直流端口和第二直流端口分别是双向直流变换器的电源输入端口和电源输出端口，第一电感器与第二电感器之间的电感比值是1:1。

假设图1所示双向直流变换器的元器件均是理想器件，同时采用傅里叶变换算法对双向直流变换器的电压进行交直流分解，可以分别得到下式(1)所示的第一开关模块与第二开关模块的端口电压u1与u2：

公式(1)中各参数含义是：

和分别是第一开关模块的端口电压u1的交流电压分量与直流电压分量，和分别是第二开关模块的端口电压u2的交流电压分量与直流电压分量，其中，交流电压分量与如下式(2)所示：

公式(2)中各参数含义是：

uj1是第一开关模块的j次谐波交流电压幅值，uj2是第二开关模块的j次谐波交流电压幅值，ω是角频率，θj是相角。

进一步地，采用傅里叶变换算法对双向直流变换器的电流进行交直流分解，可以分别得到下式(3)所示的第一开关模块与第二开关模块的电流i1与i2：

公式(3)中各参数含义是：

和分别是第一开关模块的端口电流i1的交流电流分量与直流电流分量，和分别是第二开关模块的端口电流i2的交流电流分量与直流电流分量，其中，交流电流分量与如下式(4)所示：

公式(4)中各参数含义是：

ij1是第一开关模块的j次谐波交流电流幅值，ij2是第二开关模块的j次谐波交流电流幅值，ω是角频率，θj是相角。

继续参阅附图3和4，图3示例性地示出了本实施例中图1所示双向直流变换器的交流电压/电流方向，图4示例性地示出了本实施例中图1所示双向直流变换器的交流电能流动路径。如图4所示，第一开关模块k上存储的交流电能中一部分存储在电容c和第一电感器上，一部分通过第二直流端口释放。第二开关模块r上存储的交流电能中一部分存储在第二电感器上，一部分通过第二直流端口释放。在本实施例中双向直流变换器的交流输入电流交流输出电流电容c的电流和交流输出电压分别如下式(5)所示：

公式(5)中参数是电容c的电压。

继续参阅附图5和6，图5示例性地示出了本实施例中图1所示双向直流变换器的直流电压/电流方向，图6示例性地示出了本实施例中图1所示双向直流变换器的直流电能流动路径。如图6所示，直流源的一部分电能用于维持第一开关模块k和第二开关模块r中的直流电容电压稳定，一部分电能通过第二直流端口释放。在本实施例中双向直流变换器的直流输入电流直流输出电流输入电压vin和输出电压vout分别如下式(6)所示：

基于上述公式(1)至(6)可以得到图2所示双向直流变换器的输入电流iin、输出电流iout和输出电压uout分别如下式(7)所示：

要说明的是，当第一直流端口和第二直流端口分别作为电源输出端口和电源输入端口时，双向直流变换器的电压/电流分析过程与上述分析过程相似，为了描述简洁，在此不再赘述。

进一步地，在本实施例的一个可选实施方案中，双向直流变换器可以包括多个第一开关模块、多个第二开关模块和多个第一电容器。下面结合附图对该双向直流变换器进行说明。

参阅附图7，图7示例性地示出了本实施方案中双向直流变换器的主要结构。如图7所示，本实施方案中双向直流变换器主要包括第一直流端口(图1中电容c1与该第一直流端口并联)、第二直流端口(图1中电容c2与该第二直流端口并联)、n个第一开关模块(图7所示的k1至kn)、n个第二开关模块(图7所示的r1至rn)、n个第一电容器(图7所示的c3至cn+2)和电感模块，其中，电感模块主要包括第一电感器l1和第二电感器l2。

具体地，本实施方案中n个第一开关模块串联形成第一串联支路，第一串联支路中的首个第一开关模块(图7所示的k1)与第一直流端口直接连接，第一串联支路中的最后一个第一开关模块(图7所示的kn)与第一电感器l1直接连接。n个第二开关模块串联形成第二串联支路，第二串联支路中的首个第二开关模块(图7所示的r1)与第一直流端口直接连接，第二串联支路中的最后一个第二开关模块(图7所示的rn)与第二电感器l2直接连接。每个第一电容器分别与串联顺序相同的第一开关模块和第二开关模块连接。例如，第一电容器c3的一端与第一开关模块k1连接，第一电容器c3的另一端与第二开关模块r1连接；第一电容器c4的一端与第一开关模块k2连接，第一电容器c4的另一端与第二开关模块r2连接；第一电容器cn+2的一端与第一开关模块kn连接，第一电容器cn+2的另一端与第二开关模块rn连接。

可选的，本实施例中图1和图7所示的第一开关模块和第二开关模块均可以包括多个串联全控型半导体开关或者功率子模块，其中，功率子模块可以是半桥功率子模块、全桥功率子模块或箝位双子模块(clampdoublesubmodule，cdsm)等mmc子模块。全控型半导体开关可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，mosfet)、绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)或集成门极换流晶闸管(integratedgatecommutatedthyristor，igct)等器件。

参阅附图8和9，图8和图9分别示出了半桥功率子模块和全桥功率子模块的主要结构。当第一开关模块和第二开关模块均包括多个串联的功率子模块时，第一开关模块和第二开关模块的端口电压ummc1和ummc2分别如下式(8)所示：

公式(8)中各参数含义是：

m是第一开关模块和第二开关模块中工作状态是投入状态的功率子模块的数量，uc是功率子模块中直流电容的电容电压。

下面结合附图，对本发明提供的双向直流变换器的控制方法进行说明。

参阅附图10，图10示例性示出了本实施例中用于图1或图7所示双向直流变换器的控制方法的主要步骤。如图10所示，本实施例中双向直流变换器的控制方法主要包括以下步骤：

步骤s101：根据预设的直流变换需求，确定第一开关模块和第二开关模块中功率子模块的投入数量。

具体地，本实施例中直流变换需求可以包括变换电压需求，根据变换电压需求和供电电源的电压值可以确定双向直流变换器的电能变换方向，以及第一开关模块和第二开关模块中功率子模块的投入数量。其中，电能变换方向可以是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递，或者由第二直流端口向第一直流端口进行电能传递。

步骤s102：根据直流变换需求，确定双向直流变换器的电能变换方向。

步骤s103：根据电能变换方向分别调整第一开关模块和第二开关模块中投入数量对应的功率子模块的工作状态为投入状态。

假设，第一开关模块和第二开关模块均包括10个串联的半桥功率子模块，根据直流变换需求确定出第一开关模块和第二开关模块中功率子模块的投入数量是5，电能变换方向是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递，则可以将第一开关模块和第二开关模块中的第1至5个半桥功率子模块的工作状态调整为投入状态。

参阅附图11，图11示例性示出了本实施例中半桥功率子模块的电压/电流方向。如图11所示，当电能变换方向是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递时可以控制电力电子器件vt1导通且控制电力电子器件vt2关断，以使电流ism顺次经a端、二极管vd1和直流电容c0流向至b端，半桥功率子模块的端电压usm＝uc，其中，uc是直流电容c0的电压。当电能变换方向是由第二直流端口向第一直流端口进行电能传递时可以控制电力电子器件vt1导通且控制电力电子器件vt2关断，以使电流ism顺次经b端、直流电容c0和vt1流向至a端，半桥功率子模块的端电压usm＝uc。

步骤s104：根据电能变换方向调整其他功率子模块的工作状态为切除状态。具体地，由步骤s103可知，第一开关模块和第二开关模块中的第1至5个半桥功率子模块的工作状态已调整为投入状态，则可以将剩余的5个半桥功率子模块的工作状态调整为切除状态。

继续参阅附图11，当电能变换方向是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递时控制电力电子器件vt1关断且控制电力电子器件vt2导通，以使电流ism顺次经a端和vt2流向至b端，半桥功率子模块的端电压usm＝0。当电能变换方向是由第二直流端口向第一直流端口降变换时可以控制电力电子器件vt1关断且控制电力电子器件vt2导通，以使电流ism顺次经b端和二极管vd2流向至a端，半桥功率子模块的端电压usm＝0。

进一步地，在本实施例的一个可选实施方案中，图10所示的控制方法可以采用最近电平逼近调制法控制第一开关模块和第二开关模块的端口电压，即采用电流内环与电压外环的双闭环控制方法控制第一开关模块和第二开关模块的端口电压，使得第一开关模块和第二开关模块的端口电压能够跟随电压给定值。

进一步地，在本实施例的另一个可选实施方案中，当双向直流变换器启动或者接入的直流线路发生故障时，图10所示的控制方法还可以根据电能变换方向调整所有第一开关模块和所有第二开关模块的工作状态为闭锁状态。

继续参阅附图11，当电能变换方向是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递时控制电力电子器件vt1和vt2均关断，以使电流ism顺次经a端、二极管vd1和直流电容c0流向至b端，半桥功率子模块的端电压usm＝uc。当电能变换方向是由第二直流端口向第一直流端口进行电能传递时可以控制电力电子器件vt1和vt2均关断，以使电流ism顺次经b端和二极管vd2流向至a端，半桥功率子模块的端电压usm＝0。

下面结合附图，对本实施例中图1所示双向直流变换器的仿真结果进行说明。在本实施例中，图1所示双向直流变换器中第一开关模块k和第二开关模块r均包括两个串联的半桥功率子模块(图8所示)，电能变换方向是由第一直流端口向第二直流端口进行电能传递，第一直流端口的输入电压是60v，第二直流端口的输出电压是100v。

参阅附图12，图12示例性地示出了通过psim软件对上述双向直流变换器进行仿真的仿真结果，其中，曲线1表示第一直流端口的电压波形，曲线2表示第二直流端口的电压波形，通过曲线1和曲线2可知，本发明提供的双向直流变换器能够准确地将60v的直流电能升压为100v的直流电能。

上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之内。

本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在本发明的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

本发明还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，pc程序和pc程序产品)。这样的实现本发明的程序可以存储在pc可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，单词“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的pc来实现。单词第一和第二的使用不表示任何顺序，可将这些单词解释为名称。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。