基于部分功率变换与开关管复用的路由拓扑及控制方法与流程

本发明涉及电力电子应用领域，尤其是一种部分功率变换以及开关管复用的四端口能量路由拓扑及其控制方法。

背景技术：

1、多端口变换器的出现，一个极为重要的原因是需要集成储能系统以应对电网断电等情况，保障电能供给的持续。由于传统的直流变换设备种类繁多，因此加设端口得到的多端口直流变换器也有着诸多不同的架构，按照其中电气隔离的实现程度，可以将其分为：非隔离型多端口dc/dc变换器、半隔离型多端口dc/dc变换器和隔离型多端口dc/dc变换器。多数三端口dc/dc变换器的任意两端口之间均可以实现能量的双向传递，三端口dc/dc变换器大致工作于以下三种工作模态：单端口输入单端口输出、单端口输入双端口输出、双端口输入单端口输出，其中tab为最典型的隔离型dc/dc变换器，三个端口的完全隔离使得其功率流动易于分析，同时，其控制的自由度高，控制灵活，不同的控制方式控制难度不一，而且，输出范围也可以随着控制量进行调整，它的控制量为端口间的移相角和全桥内桥臂间的移相角。

2、传统的tab拓扑在全功率处理下，功率全部流经变压器，通过第三端口的全桥调节后释放给予负载，这样的方式使得变压器和第三端口直接流经大量能量，而单一支路大量能量的传递和变换势必造成大量的能量损失。并且，tab的拓扑在全桥变换器中，变压器的漏感、在其中会产生的涡流以及馈能是造成损耗的首要因素。因此减小损耗需要从减小流经变压器和开关设备的能量来考虑，但变压器的存在除了调整电压大小，还起着为端口间提供电气隔离的重要意义，因此需要从减小损耗以及减小流经变压器和开关设备的能量着手。

3、部分功率处理是相对于全功率处理提出的概念。对于输出需求为变化量的系统，传统的处理方式是将需求的输出量作为一个整体，所有传递的能量都流经变换器，根据负载的实时需求进行调整，经过开关设备和电隔离设备的变换，包括电压和电流的处理，从而供给负载，这种要对传递的所有功率进行处理的称为全功率变换，基于此想法构建的变换器叫做全功率变换器(full power processing converter,fppc)；另一种思路则是将输出量进行划分，一部分进行恒量传递，不经过变换设备，仅在端口参数的影响下直接流向负载，除此以外的非恒定部分则进行变换，通过控制量进行动态调整以满足负载需求，由于仅存在一部分随输出变化的量，这种处理方式被称作部分功率处理，以部分功率处理为目标构建的变换器为部分功率变换器(partial power processing converter,pppc)。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种基于部分功率变换与开关管复用的路由拓扑及控制方法，以替代传统的tab变换器，获取更高的效率，以及更为优质的输出能量。

2、为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：基于部分功率变换与开关管复用的路由拓扑，包括一个高压侧端口、三个低压侧端口，高压侧端口为750v直流母线端口，低压侧端口为储能电池端口、燃料电池端口、和220v直流母线端口，高压侧端口和低压侧端口之间设置有保证高压侧与低压侧隔离的高频变压器t1、t2。

3、本发明技术方案的进一步改进在于：220v直流母线端口结构包含端口电容c1、0.75kw变换器结构，其中0.75kw变换器结构包含四个功率管s1-1、s1-2、s1-3、s1-4，电容c2以及移相电感l2；储能电池端口结构包含四个功率管s2-1、s2-2、s2-3、s2-4，电容c3以及移相电感l1；750v直流母线端口结构包含端口电容c4以及四个功率管s3-1、s3-2、s3-3、s3-4，高压侧端口采用开关管复用结构与750v直流母线相连，燃料电池端口和储能电池端口分别与0.75kw变换器和储能电池结构相连，其中，0.75kw变换器与燃料电池和220v直流母线连接，构成各自的部分功率变换结构。

4、本发明技术方案的进一步改进在于：高压侧端口结构中变压器t1、t2的高压侧同名端与功率管s3-1的源极和功率管s3-2的漏极连接；变压器t1、t2的高压侧异名端与功率管s3-3的源极和功率管s3-4的漏极连接；功率管s3-1和s3-3的漏极、端口电容c4正极与750v母线正极相连；功率管s3-2和s3-4的漏极、端口电容c4负极与750v母线负极相连。

5、本发明技术方案的进一步改进在于：低压侧端口结构中变压器t1的同名端与电感l1一端相连，电感l1另一端与功率管s2-1的源极、s2-2的漏极相连；变压器t1的异名端与功率管s2-3的源极、s2-4的漏极相连；功率管s2-1的漏极、s2-3的漏极、电容c3的正极与储能电池的正极相连；功率管s2-2的源极、s2-4的源极、电容c3的负极与储能电池的负极相连；变压器t2的同名端与电感l2一端相连，电感l2另一端与功率管s1-1的源极、s1-2的漏极相连；变压器t1的异名端与功率管s1-3的源极、s1-4的漏极相连；功率管s1-1的漏极、s1-3的漏极、电容c1、c2的正极与220v直流母线正极相连；功率管s1-2的源极、s1-4的源极相连、电容c2的负极与燃料电池的正极相连，燃料电池的负极与220v直流母线负极还有48v直流母线负极相连。

6、本发明技术方案的进一步改进在于：当高压侧母线和储能电池电压出现波动时，通过控制燃料电池的进料速度和各全桥的移相角，从而控制燃料电池的功率和各端口传输功率，进而控制整个系统的功率流向；

7、当高压侧电压稳定，且储能电池soc处于较低水平，此时通过控制全桥之间的移相角和燃料电池的燃料进气速度，使储能电池处于充电状态，燃料电池处于低功率运行水平，低压侧220v端口功率基本全部由高压母线提供，并且同时高压母线释放功率给储能电池充电；

8、当高压侧电压稳定，且储能电池soc处于较高水平，此时通过控制全桥之间的移相角和燃料电池的燃料进气速度，使储能电池处于放电状态，燃料电池处于低功率运行水平，低压侧220v端口功率主要由高压母线和储能电池提供；

9、当高压侧电压较低，且储能电池soc处于较高水平，此时通过控制全桥之间的移相角和燃料电池的燃料进气速度，使储能电池处于放电状态，使燃料电池与储能电池处于功率释放模式，低压侧220v端口功率主要由燃料电池和储能电池提供；

10、当高压侧电压较低，储能电池soc处于较低水平，此时通过控制全桥之间的移相角和燃料电池的燃料进气速度，使储能电池处于充电状态，燃料电池处于高功率运行水平，低压侧220v端口功率主要由高燃料电池提供，并且同时燃料电池释放功率给储能电池充电。

11、本发明技术方案的进一步改进在于：各端口的控制具体步骤如下：

12、(1)对于储能电池，控制的是储能电池端口电压恒定以及电流恒定；当储能电池处于充电或放电情况时，通过电容c3与储能电池输出电压的电位差作为电压内环控制，并通过储能电池的soc水平与实验获得的储能电池放电的最低soc差作为电流外环控制，再通过pi调节器和sps控制输出驱动信号至高压侧及储能电池侧的所有开关管中，构建储能电池侧端口功率变换结构，恒定该端口电压、电流至该参考值；

13、(2)对于220v直流母线，控制的是220v直流母线端口电压恒定；当750v母线功率偏小情况下，通过电容c4与220v母线输出电压的电位差作为电压控制，再通过pi调节器和sps控制输出驱动信号至高压侧及220v母线侧的所有开关管中，构建220v直流母线端口功率变换结构，恒定该端口电压至220v；

14、(3)对于750v直流母线，控制的是750v直流母线端口电压恒定以及电流恒定；当750v母线功率偏小情况下，通过电容c4与750v母线输出电压的电位差作为电压内环控制以及通过750v母线的电流与标准参考值的电流差作为电流外环控制，再通过pi调节器和sps控制输出驱动信号至低压侧及750v母线侧的所有开关管中，构建750v母线端口功率变换结构，恒定该端口电压至750v

15、由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：通过链接两端口作为输出，虽然消去了原有的全隔离，但实现了部分功率处理，提升了转换效率，通过传递较小的变压器功率实现燃料电池的充放电范围调节，且储能系统故障排除和维护难度低，故障对输出影响小。通过设置四端口结构，在三有源桥变换器的基础上集成了燃料电池和储能电池，形成了部分功率变换结构以及开关管复用结构，通过加入各分布式能源与部分功率变换技术，降低了四端口变换器所需处理的功率等级；通过加入开关管复用技术，降低了四端口变换器所需的功率开关管的成本，通过全桥结构与高频变压器实现各端口的电气隔离，通过移相电感l1、l2保证各端口能够实现移相控制，共同保证能量的稳定与多向传输。