一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法

本发明属于直流电池储能变换器，具体涉及一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法。

背景技术：

1、可再生能源发电具有间歇性和不稳定性，传统交流系统难以胜任，因此大力发展直流配用电系统，同时大量接入电池储能装置。直流电池储能变换器(双向dc/dc)作为连接电池与直流母线的电力电子接口，起到调整电压、控制电池充放电、实现电能双向传输的重要作用。

2、现有直流电池储能变换器普遍采用全功率的结构，即电池和直流母线之间传输的电能全部流经变换器；极少直流电池储能变换器采用部分功率的结构，即变换器内部的双向dc/dc仅处理系统总功率的一部分就能实现系统全部功率的传输。

3、对于传统全功率结构来说，随着电池储能装置功率等级提高，作为电能变换接口的全功率直流电池储能变换器功率等级也随之提高，导致其体积增大、成本提高、效率降低、散热设计困难；对于部分功率结构来说，其能解决全功率方案的弊端，但现有部分功率直流电池储能变换器只能实现升压电池充电、电池放电降压或升压电池放电、电池充电降压两个象限工作，这使得部分功率的优越性能无法充分发挥，即变换器内部dc/dc处理的部分功率不能达到最小值。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法，用于解决部分功率直流电池储能变换器只能双象限运行，即电池充电升压、电池放电降压或电池放电升压、电池充电降压，导致部分功率变换器内部双向dc/dc处理的部分功率较大的技术问题。

2、本发明采用以下技术方案：

3、一种双向升降压四象限部分功率变换器，包括双极性的双向dc/dc，双向dc/dc的第一正极端和第二正极端分别经直流母线接地连接，双向dc/dc的第一负极端接地，第二负极端经储能电池后接地连接；直流母线的电压等于储能电池电压加双向dc/dc第二正极端电压；当直流母线的电压大于储能电池电压时，双向dc/dc第二正极端电压为正电压；当直流母线的电压小于储能电池电压时，双向dc/dc第二正极端电压为负电压。

4、具体的，双向dc/dc包括前级的双向单极性llc谐振电路，前级的双向单极性llc谐振电路级联后级的双向双极性h桥电路，双向单极性llc谐振电路用于预调压并实现软开关；双向双极性h桥电路用于输出正电压或负电压，通过二次调压以补偿储能电池和直流母线间的电压差值，同时控制储能电池充放电。

5、进一步的，双向单极性llc谐振电路使用定频控制，双向双极性h桥电路使用电压外环电感电流内环的双闭环pi控制。

6、进一步的，双向单极性llc谐振电路包括输入滤波电容c1，输入滤波电容c1的一端连接直流母线，另一端依次经原边逆变电路、谐振电路、隔离变压器t和副边整流电路连接输出滤波电容c2的一端，输出滤波电容c2的另一端连接后级双向双极性h桥电路。

7、更进一步的，原边逆变电路包括开关管s1、开关管s2、开关管s3和开关管s4，开关管s1和开关管s3的漏极连接直流母线正极，开关管s2和开关管s4的源极连接直流母线负极，开关管s1的源极和开关管s2的漏极依次连接谐振电容cr和谐振电感lr后分两路，一路连接变压器励磁电感lm的一端，另一路连接隔离变压器t的原边，开关管s3的源极和开关管s4的漏极连接变压器励磁电感lm的另一端和隔离变压器t的原边；副边整流电路包括开关管s5、开关管s6、开关管s7和开关管s8，开关管s5和开关管s7的漏极连接输出滤波电容c2的一端，开关管s6和开关管s8的源极连接输出滤波电容c2的另一端，开关管s5和开关管s7的源级和开关管s6和开关管s8的漏极连接隔离变压器t的副边。

8、再进一步的，励磁电感峰值电流ipk与死区时间tdead关系如下：

9、

10、谐振电感lr和谐振电容cr关系如下：

11、

12、其中，coss为开关管的结电容，vllcin为llc输入电压，fs为系统开关频率。

13、进一步的，双向双极性h桥电路包括逆变电路，逆变电路分两路，一路经滤波电感l分别连接直流母线的正极和滤波电容c3的一端，第二路和滤波电容c3的另一端分别连接储能电池的正极。

14、更进一步的，逆变电路包括开关管s9、开关管s10、开关管s11和开关管s12，开关管s9和开关管s11的漏极连接前级双向单极性llc谐振电路的一端，开关管s10和开关管s12的漏极连接前级双向单极性llc谐振电路的另一端，开关管s9的源极和开关管s10的漏极连接滤波电感l的一端，开关管s11的源极和开关管s12的漏极连接储能电池的正极，储能电池的负极与直流母线的负极共地连接。

15、再进一步的，电感电流纹波δil的关系如下：

16、

17、滤波电容c3的关系如下：

18、

19、其中，uhin为h桥输入电压，fs为系统开关频率。

20、本发明的另一技术方案是，一种双向升降压四象限部分功率变换器的控制方法，双向单极性llc谐振电路使用定频pwm控制策略，始终工作在谐振点，通过改变开关管的占空比或在电路参数设计时改变隔离变压器t的匝数比调整输出电压；

21、双向双极性h桥电路使用电压电流双闭环pi控制，外环为电压环，控制h桥滤波电容c3电压追踪直流母线和电池电压差值；内环为电流环，控制h桥滤波电感l的电流以追踪电池的充放电电流，将输出值作为调制信号对开关管进行pwm控制。

22、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

23、本发明一种双向升降压四象限部分功率变换器，双向dc/dc能够输出双极性电压，从而实现四象限工作，即电池电压高于直流母线电压电池充电、电池电压高于直流母线电压电池放电、电池电压低于直流母线电压电池充电、电池电压低于直流母线电压电池放电，变换器四象限工作能够显著降低部分功率变换器内部双向dc/dc处理的部分功率占系统总功率的比，进一步提高效率及功率密度，有效控制电池充放电；变换器的特定连接方式使得内部双向dc/dc仅处理系统总功率的一小部分，即实现部分功率。内部双向双极性dc/dc能够改变输出电压的正负，从而实时补偿电池和直流母线的电压差值。

24、进一步的，在变换器内部双向dc/dc中，前级双向单极性llc谐振电路除了满足电池充放电的电能双向流动需求外，还解决了直流母线电压和直流母线电池差值电压之间调压比过大所导致的效率低问题，起到预调压的作用，辅助后级h桥进行精确调压，同时使用软开关技术进一步提高效率；后级双向双极性h桥电路除了满足电池充放电的电能双向流动需求外，还起到实时补偿电池和直流母线间电压差值的功能，输出正或负电压，即电压双极性，同时由于h桥输出端电流与电池充放电电流相同，进而直接控制电池充放电。

25、进一步的，为了优化效率，双向单极性llc谐振电路使用定频pwm控制，让电路始终工作在最佳工作点，实现软开关的同时实现最佳效率；为了实时补偿电池和直流母线间电压差值以及控制电池充放电，双向双极性h桥电路使用电压外环电流内环的双闭环pi控制。

26、进一步的，滤波电容c1用于平抑直流母线电压波动，减小纹波，向llc输入一个相对稳定的电压，便于llc调压；滤波电容c2用于平抑llc输出电压波动，减小纹波，向h桥输入一个相对稳定的电压，便于h桥调压。

27、进一步的，变换器内部dc/dc的前级为双向单极性llc谐振电路，其隔离变压器t原边为逆变电路，将直流母线的直流电压逆变为交流电压，从而经过隔离变压器t绕组向后级传输；隔离变压器t副边为整流电路，将隔离变压器绕组的交流电压整流为直流电压，从而经滤波电容c2向后级h桥传输。

28、进一步的，要实现llc开关管的零电压开通，励磁电感峰值电流ipk必须在死区时间tdead内让开关管的结电容coss完全放电，已关断的开关管则同时将其结电容coss充电。llc工作在最佳工作点，即谐振频率等于开关频率，进而可以求出谐振电感电容参数。

29、进一步的，为了实现部分功率，h桥逆变电路分为两路，一路连接直流母线正极，目的是实现系统大部分功率在电池和直流母线间直接馈送；另一路连接储能电池的正极，目的是实现系统剩余小部分功率经内部dc/dc双向传输。

30、进一步的，h桥逆变电路的目的是改变电压极性，从而满足电池和直流母线间电压差为正值或负值的两种情况，同时实现对电池充放电的控制。

31、进一步的，滤波电感l和滤波电容c3用于平抑h桥输出电压波动，减小纹波，更好地补偿直流母线与电池间电压差。根据电感的电压电流关系，可以得到电感电流纹波的表达式，当h桥输出电压为输入电压的一半时，电感电流纹波最大，进而可以求出滤波电感l的最小值。在pwm调制下，输出谐波为开关频率及以上的高次谐波，所以可取截止频率的最小值为最低次输出谐波频率(开关频率)的1/10，从而得到滤波电容c3的最小值。

32、一种双向升降压四象限部分功率变换器的控制方法，为了优化系统效率，双向单极性llc谐振电路使用定频pwm控制策略，其始终工作在最佳工作点，即谐振点，以实现llc的最佳效率，调整输出电压则通过改变开关管的占空比或改变隔离变压器t的匝数比来实现。为了更好追踪电池和直流母线间电压差值以及控制电池充放电，双向双极性h桥电路使用电压电流双闭环pi控制，外环为电压环，即控制h桥滤波电容c3电压来追踪直流母线和电池电压差值；内环为电流环，即控制h桥滤波电感l的电流来追踪电池的充放电电流，其输出值作为调制信号对开关管进行pwm控制。

33、综上所述，本发明对现有直流储能变换器进行改进，提出一种双向升降压四象限部分功率变换器及其控制方法，一方面，变换器内部dc/dc仅处理系统总功率的一小部分，有效改善变换器功率密度、效率以及成本；另一方面，内部双向dc/dc为双向双极性拓扑，能够实现四象限工作，相比于目前存在的两象限部分功率变换器，四象限部分功率变换器内部dc/dc处理的部分功率更少，能够进一步提升变换器性能。在控制上，能够实现四象限对应的四种工作模式，同时对效率进行优化，并有效控制电池充放电。

34、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。