一种储能DC-DC变流器及直接功率控制方法

技术领域

本发明属于微电网领域，具体涉及一种储能DC-DC变流器及直接功率控制方法。

背景技术

随着可再生能源的不断发展，提高储能技术的需求越来越大，双有源桥式(DAB)变换器具有损耗小、效率高、电磁兼容性能良好等优点，常常作为储能应用中的双向DC/DC变换器的首选。由于DAB DC-DC变换器中存在较多的非线性参数,传统的数学建模方式难以对其进行精确建模。此外，由于DAB DC-DC变换器中具有较多的开关器件并且在实际应用中其运行工况十分复杂，因此在求解其优化调制策略时会面临计算量大、复杂度高、寻优困难等问题。现有的数值优化方法、迭代算法和启发式算法等方法存在模型复杂、计算耗时、寻优困难等缺点，难以保证各优化目标的快速综合优化。因此，如何提升DAB DC-DC变换器的效率和性能，成为了电力电子领域的前沿热点。

如今，多数文献对DAB变流器稳态性能的研究集中在电流应力、回流功率、ZVS范围等方面，为此提供了更复杂的控制自由度和控制方法，虽然与传统的单移相(SPS)调制相比，各种工况具有更好的控制效果，但与此同时，控制的复杂性也有所增加。针对优化动态性能的主要思想是创建一个关于移相比与输出电压、电流以及电路参数的新的数学模型，从而在电路工作状态发生变化时提供快速的动态响应。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种储能DC-DC变流器及直接功率控制方法，具有操作简单，效率高的特点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种储能DC-DC变流器，包括输入电压源V

所述的输入电压源V

所述的输入电感L

所述的功率开关管S

所述的功率开关管S

所述的第一输出电容C

所述的第一输出电容C

所述的功率开关管S

所述的功率开关管S

所述的高频变压器TR为匝数比为n＝1、漏电感为L

所述的第一输出电容C

所述的输入电感L

所述的一种储能DC-DC变流器，包括以下工作状态：

状态1：由于输入电感L

其中，L

状态2：变压器一次侧所有开关均导通，一次侧H桥的两个桥臂平均承担输入电流L

其中，C

状态3：状态2结束瞬间，功率开关管S

状态4：漏电感电流i

状态5：漏电感电流i

状态6：输入功率从一次侧转移到二次侧，第一输出电容C

一种储能DC-DC变流器的直接功率控制方法，包括以下步骤：

步骤一，储能DC-DC变流器的功率损耗包括传导损耗、开关损耗和铜损耗，利用虚拟阻抗估计方法来补偿输入功率与输出功率的差值，描述实际输出功率与功率损耗之间的关系，通过采集期望的输出功率P

P

P

I

其中，P

步骤二，在实际的功率变换器系统中，由于输出电容的存在，使得输出电流不稳定，输出电压不会立即随负载电阻的变化而变化，为了加速瞬态过程，可将期望输出功率P

P

P

其中，V

步骤三，做上式的数学带入与计算，得出期望的输入电流I

其中，I

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明公开了一种储能变流器的实际功率直接控制方法：电路结构包括输入电压源Vin、功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6、输入电感Lin、匝数比为n，漏电感为L1的高频变压器TR，第一输出电容C1、第二输出电容C2以及负载电阻R。由于目前双有源桥(DAB)DC-DC变换器的控制方法实现的动态性能有限，本发明公开了一种基于虚拟阻抗估计的DAB变换器实际功率直接控制方法，该方案基于并联结构，将实际功率控制与虚拟阻抗估计方法相结合，所设计的控制器通过自动调节器件的占空比来控制输出电压和电流，可以为储能变换器提供良好的动态响应，变换器的鲁棒性显著提高，并且实现了快速动态控制，并且可以在多种瞬态条件下，获得输出电压的最快瞬态响应，且电压无超调。

附图说明

图1为本发明具体实施例中的一种储能DC-DC变流器电路原理图。

图2为本发明具体实施例中工作模式的第一种工作状态示意图。

图3为本发明具体实施例中工作模式的第二种工作状态示意图。

图4为本发明具体实施例中工作模式的第三种工作状态示意图。

图5为本发明具体实施例中工作模式的第四种工作状态示意图。

图6为本发明具体实施例中工作模式的第五种工作状态示意图。

图7为本发明具体实施例中工作模式的第六种工作状态示意图。

图8为本发明具体实施例中实际功率直接控制方法的原理图。

图9为本发明具体实施例中虚拟阻抗估计的等效图。

具体实施方法

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是本发明的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明示例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等适用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样的使用的数据在适当的情况下可以互换，一遍这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列状态或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些状态或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他状态或单元。

一种储能DC-DC变流器，如图1所示，包括输入电压源V

所述的输入电压源V

所述的输入电感L

所述的功率开关管S

所述的功率开关管S

所述的第一输出电容C

所述的第一输出电容C

本发明的工作原理是：

如图1所示，该储能变换器的拓扑结构为变压器原边为全桥结构，副边为半桥结构，由于半桥结构具有倍压功能，所以变压器原边的电压值为V

本发明的一种优选实施例为，所述的功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4均采用型号为InfineonIPP110N20NA，200V，88A，Ron＝100mΩ的功率MOSFET开关管；功率开关管S5和功率开关管S6采用型号为IRFB4310的功率MOSFET开关管。

本发明的另一种优选实施例为，所述的功率开关管设有并联连接的二极管。

本发明的另一种优选实施例为，所述的TR为匝数比为n＝1、漏电感为L1的＝20uH高频变压器TR。

本发明的另一种优选实施例为，所述的第一输出电容C1和第二输出电容C2采用耐压值均为250V的470uF的电容。

本发明的另一种优选实施例为，所述的输入电感Lin采用电感值为350uF的电感。

本发明公开的一种储能DC-DC变流器的工作状态，包括以下状态：

进一步，基于权利要求1-6所述的任意一种储能DC-DC变流器的工作状态，包括以下状态：

状态1：如图2所示，由于输入电感L

其中，L

状态2：如图3所示，变压器一次侧所有开关均导通，一次侧H桥的两个桥臂平均承担输入电流L

其中，C

状态3：如图4所示，状态2结束瞬间，功率开关管S

状态4：如图5所示，漏电感电流i

状态5：如图6所示，漏电感电流i

状态6：如图7所示，输入功率从一次侧转移到二次侧，电容C

一种储能DC-DC变流器的的直接功率控制方法整体控制框图如图8所示，具体做法如下：

步骤一：该储能DC-DC变流器的功率损耗包括传导损耗、开关损耗、铜损耗等，利用虚拟阻抗估计方法来补偿输入功率与输出功率的差值，描述实际输出功率与功率损耗之间的关系，通过采集期望的输出功率P

P

P

I

其中，P

步骤二，在实际的功率变换器系统中，由于输出电容的存在，使得输出电流不稳定，输出电压不会立即随负载电阻的变化而变化，为了加速瞬态过程，可将期望输出功率P

其中，I

P

P

其中，V

步骤三，做上式的数学带入与计算，得出期望的输入电流I

如图9所示，利用虚拟阻抗估计(VIE)的方法进行功率补偿，由于DAB变换器的功率损耗包括传导损耗、开关损耗、铜损耗等，而这些功率损耗在实际应用中是不可忽视的，输入功率和输出功率之间存在着差异。因此，利用VIE方法来补偿这种功率差。

最后应说明的是，以上各实例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而在写修改或者替换，并不是相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。