适用于双极直流微电网的双LC交错式四端口变换器及方法

本发明属于电压平衡，尤其涉及适用于双极直流微电网的双lc交错式四端口变换器及方法。

背景技术：

1、目前，随着光伏阵列、电动汽车充电桩和储能系统的广泛应用，越来越多的直流装置连接到微电网。微电网是未来智能配用电系统的重要组成部分，按能源转换形式主要分为交流微网和直流微网。新兴技术，如电动汽车及其充电基础设施、现代化数据中心、直流供电建筑、绿色氢技术、太阳能等更适合接入直流系统。目前，直流微电网逐渐成为新型电力系统的重要组成部分。对于直流微网来讲，分布式电源对负荷供电往往需要较为复杂的控制方法，直流微网需要在并网状态与离网状态之间来回切换。针对并网与离网切换控制的研究有很多，其主要目的是提高直流微电网并网稳定能力以及孤岛运行能力。

2、相比于单极直流微电网，双极直流微电网有一个额外的中性直流母线，微网系统中存在正、零、负三条电力母线，可以提供vdc、2vdc两种电压等级。同时双极直流系统在传输容量、供电可靠性等多个方面存在较大的优势。相同电压等级下，双极直流系统传输容量可扩大一倍。当双极线路发生断线故障时，重要负载可以通过切换电源极来保证不间断供电。尽管双极直流微网在电能传输中具有显著优势，但其建设成本与技术要求相对较高。由于分布式源荷在两极之间的不均匀分布，其注入或吸收两极功率不同，导致双极直流微网的两极母线电压不均衡，影响系统的正常运行。因此，如何保持两极电压均衡成为双极直流微网的研究热点。

3、目前，主要通过增设电压平衡器来解决双极直流微电网的两极不平衡电压问题。用于双极直流微电网的电压平衡器可以分为集中式和分布式两种主要架构。

4、集中式结构通过电压均衡器串联在ac/dc变换器端口，以保持两极电压均衡。集中式结构可以有效平衡双极直流微电网端点电压。但在长线路电网中，由于正负极的沿线压降不同，距离集中式电压平衡器的最远点会出现明显的不平衡现象。分布式结构通过在微网中放置多台电压平衡器，以解决长距离双极直流微电网电压平衡问题。分布式结构还可以通过负载转换开关、直流电力弹簧等对直流负荷和功率潮流进行优化，或者通过储能接入平抑不平衡功率。然而，无论是现存的集中式还是分布式方案，均需要专门用于两极母线电压平衡的dc/dc变换器，且变换器输入端口需要连接ac/dc变换器或储能装置，通过控制端口传输功率来实现两极母线的电压平衡。这些额外增设的电压平衡变换器会导致电网电流纹波较大，也会增加系统的建设投资成本。

技术实现思路

1、本发明提出了一个全桥型四端口变换器，实现直流微网的两极电压平衡。并借助双lc交错并联结构，极大程度上减少了电压平衡器造成的电网电流纹波，减少了电网滤波元件体积，相应的减少了器件成本。本发明针对双极直流微网的结构，通过一个四端口变换器实现微网的两极电压平衡，解决双极直流微网正常运行时母线电压不均衡问题，不研究并网与离网切换的控制方法。

2、本发明提供适用于双极直流微电网的双lc交错式四端口变换器，如图2(c)所示，包括双lc交错均压支路的四端口变换器拓扑由双有源桥变换器(dual active bridge,dab)和lc串联型电压平衡器(lc series voltage balancer,lcvb)通过器件复用技术构成。第一双有源桥变换器dab1和第二双有源桥变换器dab2的两个端口分别连接在系统正负极母线上，另外两个端口可以连接任意直流设备，并实现设备并网功能。l1、l2分别为第一双有源桥变换器dab1和第二双有源桥变换器dab2的功率电感。功率电感可由高频变压器漏感取代，高频变压器的变比为n:1。第一双有源桥变换器dab1和第二双有源桥变换器dab2并网侧接有第一滤波电容cg1、第二滤波电容cg2，全桥电路多功能复用，第一双有源桥变换器dab1和第二双有源桥变换器dab2并网侧全桥电路中点增设两条lc均压支路。全桥电路与lc均压支路构成双lc串联交错式电压平衡器(dual lc series interleaved voltagebalancer，dlcvb)。

3、如图2(a)所示，第一双有源桥变换器dab1包括第一全桥电路、第二全桥电路通过第一高频变压器连接而成，第一双有源桥变换器dab1的并网侧全桥电路为第二全桥电路；第二双有源桥变换器dab2包括第三全桥电路和第四全桥电路通过第二高频变压器连接而成，第二双有源桥变换器dab2的并网侧全桥电路为第四全桥电路。

4、如图3所示，第一全桥电路包括第一开关管s1,1、第二开关管s2,1、第三开关管s3,1、第四开关管s4,1；第二全桥电路包括第五开关管m1,1、第六开关管m2,1、第七开关管m3,1、第八开关管m4,1；

5、第三全桥电路包括第九开关管s1,2、第十开关管s2,2、第十一开关管s3,2、第十二开关管s4,2；第四全桥电路包括第十三开关管m1,2、第十四开关管m2,2、第十五开关管m3,2、第十六开关管m4,2。

6、如图2(b)、图2(c)所示，两条lc串联谐振支路分别第一lc串联谐振支路由第一电感lb1、第一电容cb1构成，第二lc串联谐振支路由第二电感lb2、第二电容cb2构成。第一电感lb1、第一电容cb1组成的串联谐振支路与第一双有源桥变换器dab1的并网侧第五开关管m1,1、第六开关管m2,1和第二双有源桥变换器dab2的并网侧第十三开关管m1,2、第十四开关管m2,2共同组成一个lcvb结构。同理，第二电感lb2、第二电容cb2组成的串联谐振支路与第一双有源桥变换器dab1的并网侧第七开关管m3,1、第八开关管m4,1和第二双有源桥变换器dab2的并网侧第十五开关管m3,2、第十六开关管m4,2共同组成一个lcvb结构。两个lcvb结构可并称为dlcvb结构，即双lc交错均压支路。

7、本发明还提供适用于双极直流微电网的双lc交错式四端口变换器的控制方法，如图3所示，dab端口侧全桥电路包含四个开关管(s1,k-s4,k，k＝1or 2)，其中s1,k和s4,k有相同的驱动信号(gs1,k，占空比50％，包含死区)。s3,k和s2,k有相同的驱动信号(gs2,k，占空比50％，包含死区)。gs1,k和gs2,k为同一全桥电路内互补信号，统称为gs,k。dab电网侧全桥电路同样包含四个开关管(m1,k-m4,k，k＝1or 2)，其中m1,k和m4,k有相同的驱动信号(gm1,k，占空比50％，包含死区)。m3,k和m2,k有相同的驱动信号(gm2,k，占空比50％，包含死区)。gm1,k和gm2,k为同一全桥电路内互补信号，统称为gm,k。端口k功率控制和电压平衡控制均采用移相控制策略。所提变换器共包括四个全桥电路，即四组互补pwm信号(gs,1、gs,2、gm,1、gm,2，其中gm,1为给定的初始pwm信号)。四组控制信号之间存在三个独立的移向角。gm,1和gm,2之间的移向角为db，通过调整db可以实现母线电压平衡控制。gs,k和gm,k之间的移向角为dk，与dab移向控制策略相同，通过调整dk可以实现端口k功率控制。值得注意的是，db、d1和d2可以独立控制。

8、本发明的双lc交错均压支路的四端口变换器，可以用于支持长距离双极直流微网。该变换器由双有源桥变换器和串联lc均压支路构成，无需连接专用的储能装置，装置自身即可实现两极母线电压平衡功能。此外，双有源桥变换器端口可以用于任意分布式电源或直流负载接入微网。并网功能与电压平衡功能可同时运行。

9、本发明主要是解决现有双极直流母线电压不平衡问题；发明了一种适用于双极直流微电网的双lc交错式四端口变换器，该变换器可以将光伏、储能和电动汽车充电桩等直流设备接入双极直流微网，同时，电压平衡支路可以实现两极不平衡功率的双向传递，确保系统两极电压保持平衡。如图1所示。

10、本发明还有一目的是减少现有的电压平衡变换器的建设成本；所提四端口变换器可以有效替代长线路双极直流系统中的分布式电压平衡器，通过器件复用技术，减少了变换器所需的的8个二极管，在实现相同功能的情况下能够至少减少33％的硬件成本。

11、本发明再有一目的是减少现有的电压平衡器引入的电流纹波；所提四端口变换器通过两条lc均压支路交错控制，实现不平衡功率的全周期传输，减小不平衡功率引起的电网电流纹波，实现两支路并网电流互补。相较于单lc均压支路拓扑，所提拓扑可降低68.42％以上均衡器引入的电流纹波，无需笨重的电容或电感等大体积滤波元件，响应速度更快。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：1.本发明器件复用技术有效降低了电压平衡器开关管数量，节省了大量硬件成本；2.变换器装置的并网功能和电压平衡功能可同时运行；3.双lc均压支路可有效降低均压过程产生的并网电容电流波动，减小滤波电容体积；4.变换器装置的所有开关均工作在零电压开通状态，能够有效减小开关损耗，提高装置效率。