一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向DC/DC变换器及其控制方法

一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向dc/dc变换器及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及dc/dc变换器技术领域，具体涉及一种油田电驱修井机主动式复合电储能系统的低纹波双向dc变换器及其控制方法。


背景技术：

2.修井机是油田重要作业设备之一，电驱修井机需采用电储能装置补偿电网功率，锂电池和超级电容的复合电储能装置结合了锂电池和超级电容各自性能优势，克服了单一电储能装置如锂电池比功率小、超级电容比能量小的问题。
3.为控制锂电池-超级电容复合电储能装置的充放电，目前共有四种拓扑结构电路：被动式复合电源结构、半主动式超级电容端负载结构、半主动式蓄电池端负载结构以及主动式复合电源结构。被动式复合电源结构简单易行，成本低，但复合电源的功率分配完全取决于超级电容器和蓄电池各自的内阻，无法控制，实际使用时适应性较差；半主动式超级电容端负载结构虽方便超级电容发挥自身快速充放电的性能优势，但因超级电容的电压变化跨度大，负载电压随之波动较大，降低了电机的工作稳定性，并且需串并联大量单体电容来使超级电容有更大的总能量，因此该结构的成本将大大提高；半主动式电池端负载结构可以控制超级电容器在负载端需要大电流时提供峰值功率输出，同时双向控制器能够在超级电容器电压大幅变化时稳定负载端输出电压，其电压同样无需与蓄电池电压时刻保持一致，更有利于发挥超级电容器对大功率的吞吐能力，缺点是超级电容器在向负载供电前经过双向控制器，影响了超级电容器大功率充放电时的响应速度，而且负载的大电流几乎全部由超级电容提供，必须增加双向变换器的容量，因此增加了双向变换器的制造难度；主动式复合电源结构能够分别控制蓄电池和超级电容器的充放电状态，增加了系统灵活性，使系统旳控制精度更高，能够让超级电容器和蓄电池最大化发挥各自储能上的优势，但是因为两个dc/dc变换器的存在，不仅提高了成本，增加了控制难度，而且引起不必要的能量损失从而造成能量利用率不高。
4.综上所述，现有的复合电源电路结构中均存在一定的技术问题需要解决。


技术实现要素：

5.电驱修井机的锂电池-超级电容复合电储能装置若采用主动式复合电源结构，控制灵活，但需要两个双dc/dc变换器来控制锂电池和超级电容两个电储能装置的充放电，电路结构复杂，也增加了控制复杂程度。本发明针对该技术问题，提供了一种双dc/dc变换器电路结构，用单一双dc/dc变换器控制锂电池和超级电容两个电储能器件的充放电，简化电路结构，降低控制复杂程度。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所设计的双dc/dc变换器通过二极管的单向导通性能以及对级联电路中开关管的稳定控制，共同实现单一双dc/dc变换器控制锂电池和超级电容两个电储能装置的充放电。该双向dc/dc变换器包括主电路上具有选
择开关作用的二极管、第一电感、第二电感和第三电感以及上下桥臂构成的三级联电路，二极管的单向导通性能以及三级联电路中开关管上的控制信号确保锂电池输出平稳功率的同时，超级电容可频繁充放电，补偿修井机所需峰值功率，以及吸收修井机电动机倒发电产生的电能。三级联电路减小了电流纹波，减小开关器件在开关过程中的应力。
7.其电路的拓扑结构包括：锂电池ub、选择开关二极管d、第一电感l1、第一电感上桥臂开关管s1、第一电感下桥臂开关管s2、超级电容uc、第二电感l2、第二电感上桥臂开关管s3、第二电感下桥臂开关管s4、第三电感l3、第三电感上桥臂开关管s5、第三电感下桥臂开关管s6。锂电池ub正端连接二级管d正端，锂电池负端和第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3和超级电容一端相连；二极管d的负端和第一电感l1的上桥臂开关管s1漏极、二极管d1的负端、第二电感l2的上桥臂开关管s3漏极、二极管d3的负端、第三电感l3的上桥臂开关管s5漏极、二极管d5的负端相连；第一电感l1的另外一端和上桥臂s1的源极、二极管d1的正端、下桥臂s2的漏极、二极管d2的负端相连；第二电感l2的另外一端和上桥臂s3的源极、二极管d3的正端、下桥臂s4的漏极、二极管d4的负端相连；第三电感l3的另外一端和上桥臂s5的源极、二极管d5的正端、下桥臂s6的漏极、二极管d6的负端相连；超级电容的一端和第一电感l1的下桥臂开关管s2的源极、第二电感l2的下桥臂开关管s4的源极、第三电感l3的下桥臂开关管s6的源极相连。所述的一种适用于电驱修井机主动式复合电储能装置的双dc/dc变换器的控制方法为：基于所述双dc/dc变换器工作占空比信号，在boost和buck两种模式下分别有两个工作状态，共四个工作状态。
8.在修井机提升阶段电动机有大功率需求，母线侧产生电压骤降，此时电储能系统工作于boost模式下，由于二极管d的单向导通作用，配合开关管的控制信号，在s2、s4与s6一个开关周期内，不同阶段实现由锂电池和超级电容共同升压、电感l1、l2和l3与锂电池共同升压。若修井机下放阶段电动机出现倒发电现象，该储能装置工作于buck模式下，同样由于二极管d的选择导通作用，配合开关管的控制信号，在s1、s3与s5一个开关周期内，实现母线向超级电容和电感l1、l2和l3充电、电感l1、l2和l3单独向超级电容充电的过程。
9.所述的一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向dc/dc变换器及其控制方法，为了提高系统稳定性，避免互补pwm控制可能存在上下桥臂开关管直通现象，该双dc/dc变换器采用独立pwm控制，当开关管s1、s3和s5关断时，s2、s4与s6处于pwm调制时，该系统工作于boost模式；当开关管s2、s4与s6关断时，s1、s3和s5处于pwm调制时，该系统工作于buck模式。
10.在boost工作模式下，开关管s2、s4和s6导通和关断为两种工作状态，在buck工作模式下，开关管s1、s3和s5导通和关断为两种工作状态，共四种工作状态。
11.所述变换器工作在boost模式时，假设电感l1、l2和l3电流工作于连续状态，令变换器开关管s2、s4与s6采用占空比为d1的pwm信号，则在一个周期ts内，boost模式有两种工作状态。
12.工作状态1(t
0-t1)：此期间开关管s2、s4与s6同时导通，超级电容对电感l1、l2和l3充电，同时二极管d由正向压降而导通，锂电池和超级电容同时向母线侧供电。
13.工作状态2(t
1-t2)：此期间开关管s2、s4与s6同时关断，二极管d1、d3和d5由于续流而导通，超级电容和电感l1、l2和l3同时向母线侧供电。
14.所述变换器工作在boost模式时，假设电感l1、l2和l3电流工作于连续状态，令变换
器开关管s1、s3和s5采用占空比为d2的pwm信号，则在一个周期ts内，buck模式有两种工作状态。
15.工作状态1(t
0-t1)：开关管s1、s3和s5导通，二极管d由于受到反向电压而关断，所以母线侧向超级电容uc充电，同时对电感l1、l2和l3充电。
16.工作状态2(t
1-t2)：开关管s1、s3和s5关断，二极管d2、d4和d6由于续流而导通，超电感l1、l2和l3向超级电容uc供电。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果：
18.一、用单一双dc/dc变换器控制锂电池和超级电容两种电源的升降压功能，简化电路结构。
19.二、主电路上具有选择开关作用的二极管配合各桥臂上下开关管独立pwm控制信号，使得控制简单且系统稳定。
20.三、三级联结构减小了开关管开关过程中的开关应力，避免了修井机峰值功率输出时对开关管的冲击，减小了电流纹波。
附图说明
21.下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
22.附图1为电驱修井机锂电池-超级电容复合电储能低纹波双dc/dc变换器电路结构图
23.附图2为复合电储能低纹波双dc/dc变换器boost模式下各工作状态的等效电路图
24.附图3为复合电储能低纹波双dc/dc变换器buck模式下各工作状态的等效电路图
25.附图4为复合电储能低纹波双dc/dc变换器boost模式下各工作状态的主要波形图
26.附图5为复合电储能低纹波双dc/dc变换器buck模式下各工作状态的主要波形图
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施对本发明“一种适用于电驱修井机主动式复合电储能系统的双向dc/dc变换器及其控制方法”的工作原理进行进一步的详细描述。
28.本发明提供了一种适用于电驱修井机主动式锂电池-超级电容复合电储能系统的双向dc/dc变换器和控制方法，如图1所示，该电路结构包括：锂电池ub、选择开关二极管d、第一电感l1、第一电感上桥臂开关管s1、第一电感下桥臂开关管s2、超级电容uc、第二电感l2、第二电感上桥臂开关管s3、第二电感下桥臂开关管s4、第三电感l3、第三电感上桥臂开关管s5、第三电感下桥臂开关管s6。锂电池ub正端连接二级管d正端，锂电池负端和第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3和超级电容一端相连；二极管d的负端和第一电感l1的上桥臂开关管s1漏极、二极管d1的负端、第二电感l2的上桥臂开关管s3漏极、二极管d3的负端、第三电感l3的上桥臂开关管s5漏极、二极管d5的负端相连；第一电感l1的另外一端和上桥臂s1的源极、二极管d1的正端、下桥臂s2的漏极、二极管d2的负端相连；第二电感l2的另外一端和上桥臂s3的源极、二极管d3的正端、下桥臂s4的漏极、二极管d4的负端相连；第三电感l3的另外一端和上桥臂s5的源极、二极管d5的正端、下桥臂s6的漏极、二极管d6的负端相连；超级电容的一端和第一电感l1的下桥臂开关管s2的源极、第二电感l2的下桥臂开关管s4的源极、第三电感l3的下桥臂开关管s6的源极相连。
29.参见图2和图3对上述变换器在boost和buck两种模式下的工作状态及性能分析：
30.如图2所示，当该系统工作在boost模式下，假设电感电流工作于连续状态，令pwm信号占空比为d1，则在一个开关周期内ts，boost模式有两种状态，各工作状态的等效电路图如图2(1)和(2)所示。
31.1)工作状态1(t
0-t1)：第一电感l1的下桥臂开关管s2导通，超级电容开始对电感l1充电，第二电感l2下桥臂开关管s4导通，超级电容开始对电感l2充电，第三电感l3下桥臂开关管s6导通，超级电容开始对电感l3充电，二极管d因正向压降而导通，超级电容和蓄电池同时对母线供电；
32.2)工作状态2(t
1-t2)：开关管s2、s4和s6同时关断，二极管d1、d3和d5因续流而导通，超级电容和电感l1、l2和l3同时给母线侧供电。
33.如图3所示，当该系统工作在buck模式下，假设电感电流工作于连续状态，令pwm信号占空比为d2，则在一个开关周期内ts，buck模式有两种状态，各工作状态的等效电路图如图3(1)和(2)所示。
34.1)工作状态1(t
0-t1)：开关管s1、s3和s5导通，二极管d因反向压降而关断，所以母线侧向超级电容充电，同时向电感l1、l2和l3充电；
35.2)工作状态2(t
1-t2)：开关管s1、s3和s5同时关断，二极管d2、d4和d6因续流而导通，电感l1、l2和l3向超级电容充电。
36.图4和图5为该双dc/dc变换器在boost和buck两种模式，根据pwm信号不同，第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3的上下桥臂的开关管s
1-s6上电压应力以及三个电感l1、l2和l3上电流波形。从开关管s
1-s6上电压可以看出，三级联结构大大降低了开关管上电压，也减小了电流纹波。
37.综上，本发明所提出的双dc/dc变换器能够用单一双dc/dc变换器实现对锂电池和超级电容两个储能器件的充放电控制。为了提高系统稳定性，避免互补pwm控制可能存在上下桥臂开关管直通现象，该双dc/dc变换器采用独立pwm控制。在充放电过程中，锂电池持续提供平稳功率，在满充之后作业时向母线侧提供稳定的能量输出，超级电容在控制信号作用下可频繁充放电，承担回收母线侧能量(充电)以及联合锂电池提供修井机所需峰值功率的功能，三级联结构大大降低了开关管上开关应力，是一种高效且低成本的解决方案。
38.以上所述的仅是本发明的实施例，本发明并不以此为限制，凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。于解释权利要求的内容。