一种包含双向三端口DC/DC变换器的低电压穿越装置及控制方法与流程

一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置及控制方法
技术领域
1.本发明涉及变换器和电机控制领域，特别是涉及一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置及控制方法。


背景技术：

2.在抽水蓄能机组中，当发生故障时会导致并网点电压跌落，出于保护目的，机组不能够不间断并网运行，导致机组脱网，这将大量增加发电系统并网次数，对电网冲击严重。低电压穿越是对并网机组在电网出现电压跌落时仍保持并网的能力要求。目前的变换器，升压比低，电压应力大，电路结构导致控制原理复杂。


技术实现要素：

3.为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明提供了一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置及控制方法，可以在电网出现电压跌落时保持并网能力。相对于传统的变换器，升压比高，电压应力小，控制原理简单。
4.本发明采用的技术方案在于：
5.一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置，所述变换器前级输入端连接电源v，所述变换器的后级输出端连接负载r
l
，包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、开关管q1、开关管q2、开关管q3、整流二极管d4、整流二极管d5、整流二极管d6、整流二极管d7和电感l；
6.开关管q1的源极连接电容c1的一端，开关管q1的漏极连接电源v的正极端，所述电容c1的另一端连接电源v的负极端；所述电源v的正极端连接电感l的一端，电感l的另一端、整流二极管d4、整流二极管d5、整流二极管d6、电容c3和电容c4依次串联后连接所述电源v的负极端，开关管q2的漏极接在电感l与整流二极管d4之间，开关管q2的源极连接电源v的负极端，开关管q3的源极接在电感l与整流二极管d4之间，开关管q3的漏极接在整流二极管d6和电容c3之间，电容c2并接在串联的整流二极管d4和整流二极管d5两端，所述整流二极管d4和整流二极管d5的中点与电容c3和电容c4的中点连接，所述负载r
l
并接在串联连接的电容c3和电容c4两端。
7.进一步的，所述整流二极管d7位于电源v的正极端与开关管q1的漏极之间，所述整流二极管d7的阳极连接电源v的正极，整流二极管d7的阴极连接开关管q1的漏极。
8.进一步的，所述电容c1为超级电容。
9.进一步的，所述开关管q1、开关管q2和开关管q3均为mos管，三个开关管的导通与关断由控制器dsp28335来控制。
10.进一步的，所述变换器在boost工作模式下，在一个周期内由boost第一模态和boost第二模态构成；
11.boost第一模态为：开关管q1、开关管q3关断，开关管q2导通，电源v
in
给电感l充能，
电感l电流线性上升，电容c4给电容c2充能，电容c3、电容c4对负载电阻r
l
释放能量；
12.boost第二模态为：开关管q1、开关管q2和开关管q3均关断时，电源v
in
、电感l和电容c2给电容c3、电容c4充能，并对负载电阻r
l
提供能量，电感l电流线性下降。
13.更进一步的，所述变换器在boost工作模式下，开关管q1管压降为v
l
，开关管q2管压降为开关管q3管压降为v
h
，所述v
l
和v
h
满足关系：
14.进一步的，所述变换器在buck工作模式下，在一个周期内由buck第一模态和buck第二模态构成；
15.buck第一模态为：开关管q1、开关管q3导通，开关管q2关断，电容c3、电容c4给电感l、电容c1充能，电感l电流线性上升，电容c1给低压侧v
l
提供能量；
16.buck第二模态为：开关管q1导通，开关管q2导通，开关管q3关断时，电感l给电容c1充能，电感l电流线性下降，高压侧v
h
给电容c3、电容c4充能。
17.更进一步的，所述变换器在buck工作模式下，开关管q1管压降为0，开关管q2管压降为v
h
，mos管q3管压降为v
h
。
18.本发明的有益效果是：
19.1、本发明的变换器具有高升压比。
20.2、本发明的变换器的双向形式能将能量回馈至超级电容中，实现能量回收并提高能量利用率；三端口结构可以使得最低端口电压对应的开关单元保持直通，任意时刻仅有两个单元高频开关工作，减小了开关管电压应力，降低了开关损耗和导通损耗，提高了变换器的整体效率。
21.3、本发明的变换器电路中所有功率半导体器件和电容的电压应力小，均不超过输出电压的一半，兼顾了高增益和低器件应力的优点。
22.4、本发明的变换器电路所用器件少，电路结构简单，控制简便。
23.5、本发明的变换器的输入端和输出端之间是共地的，避免了一些安全问题、电磁兼容问题，也不会给电路的采样增加难度。
24.6、超级电容储能系统具有快速的充放电速度、单位时间可以释放更多的能量、受环境温度影响较小、维护方便、易于测量等优点。
附图说明
25.图1是抽水蓄能机组电路原理图；
26.图2是双向三端口dc/dc变换器的拓扑原理图；
27.图3是图2所示双向三端口dc/dc变换器boost第一模态电路原理图；
28.图4是图2所示双向三端口dc/dc变换器boost第二模态电路原理图；
29.图5是图2所示双向三端口dc/dc变换器boost电路主电量波形图；
30.图6是图2所示双向三端口dc/dc变换器buck第一模态电路原理图；
31.图7是图2所示双向三端口dc/dc变换器buck第一模态电路原理图；
32.图8是图2所示双向三端口dc/dc变换器buck电路主电量波形图。
具体实施方式
33.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
34.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
35.具体实施方式一：
36.如图1所示，本实施例的一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置放置在抽水蓄能机组网侧、机侧变流器中间，构成一个交直交功率变换器，将抽水蓄能机组电压跌落情况下产生的能量回馈至超级电容中，吸收由于网侧变换器最大工作电流限制而不能吸收的由机侧变流器注入直流母线的多余有功功率，从而防止母线电压大幅提升，使系统的直流母线电压基本维持在正常工作电压之内。
37.如图2所示，本实施例的一种包含双向三端口dc/dc变换器的低电压穿越装置其前级输入端连接电源v，后级输出端连接负载r
l
，主电路结构包括电容c1、电容c2、电容c3、电容c4、开关管q1、开关管q2、开关管q3、整流二极管d4、整流二极管d5、整流二极管d6、整流二极管d7和电感l。
38.相对于传统dc/dc变换器，本技术的三端口结构具体如图2所示，变换器含有3个buck/boost开关单元，调节3个开关管的电压信号的移相角与占空比来改变功率传送的大小与方向，三个端口分别为高、低压侧和电容c2两端。采用三端口结构有单输入单输出工作模式、双输入单输出、单输出双输入三种工作模式，本实施例为单输入单输出工作模式，电容c2所在端口用作能量转移，其端口电压(电流)有系统功率平衡关系决定。三端口结构可以使最低端口电压对应的开关单元保持直通，任意时刻仅有两个单元高频开关工作，使开关管承受的平均电压相比于传统变换器有所减小，从而达到变换器中的开关管电压应力减小的效果，同时使开关损耗和导通损耗有所降低来提高变换器的整体效率。
39.开关管q1的源极连接电容c1的一端，开关管q1的漏极连接电源v的正极端，所述电容c1的另一端连接电源v的负极端；所述电源v的正极端连接电感l的一端，电感l的另一端、整流二极管d4、整流二极管d5、整流二极管d6、电容c3和电容c4依次串联后连接所述电源v的负极端，开关管q2的漏极接在电感l与整流二极管d4之间，开关管q2的源极连接电源v的负极端，开关管q3的源极接在电感l与整流二极管d4之间，开关管q3的漏极接在整流二极管d6和电容c3之间，电容c2并接在串联的整流二极管d4和整流二极管d5两端，所述整流二极管d4和整流二极管d5的中点与电容c3和电容c4的中点连接，所述负载r
l
并接在串联连接的电容c3和电容c4两端。
40.所述电源v的正极端与开关管q1的漏极之间设有整流二极管d7，所述整流二极管d7的阳极连接电源v的正极，整流二极管d7的阴极连接开关管q1的漏极。
41.具体实施方式二：
42.本实施例的电容c1为超级电容。本实施例需要一个超级电容即可，多个超级电容会造成不必要的浪费。在理想工作情况下，在整个过程中该变换器的电容c1只吸收其他储能元件的能量而不给其他储能元件提供能量，电容c2、电容c3、电容c4不仅吸收其他储能元件的能量而且释放能量给其他储能元件。boost工作模式下低压侧功率波动导致的多余能量会首先回馈至电容c1中，减小其他元件的工作负担。由于整流二极管d7的设置，buck工作模式下高压侧功率波动导致的多余能量只会回馈至电容c1中。电容c1离三个开关管的位置最近，更有利于实现超级电容的功率快速吞吐能力，减小开关管工作时造成的功率波动。两侧电压跌落时电容c1提供无功功率对其他元件造成的影响更小，更有利于系统保持并网。由此设置超级电容不仅能够维持变换器输出稳定，而且电容c1为超级电容更能达到本实施例的目标，其他电容的要求则根据具体情况设置参数即可。
43.本实施例采用的开关管q1、开关管q2和开关管q3均为mos管。三个开关管的导通与关断过程如图5、图8所示，具体实施方式除了本实施例采用的dsp28335控制器外，其他型号的可实现相同功能的控制器均可。
44.本实施例的变换器包括boost工作模式和buck工作模式，分别实现升压功能和降压功能，所述变换器在boost工作模式下，在一个周期内由boost第一模态和boost第二模态构成；
45.boost第一模态为：开关管q1、开关管q3关断，开关管q2导通，电源v
in
给电感l充能，电感l电流线性上升，电容c4给电容c2充能，电容c3、电容c4对负载电阻r
l
释放能量。开关管q2导通时，其两端电压上升速率较大从而导致变换器具有较大的功率波动，超级电容c1的功率快速吞吐能力可以有效减少功率波动带来的干扰，减少其他元件的工作负担、延长循环使用寿命，维持直流稳定，使抽水蓄能电机在此阶段能平稳地工作；
46.boost第二模态为：开关管q1、开关管q2和开关管q3均关断时，电源v
in
、电感l和电容c2给电容c3、电容c4充能，并对负载电阻r
l
提供能量，电感l电流线性下降。同理，开关管q2关断时，其两端电压下降速率较大从而导致变换器具有较大的功率波动，超级电容c1的功率快速吞吐能力使抽水蓄能电机在此阶段能平稳地工作。
47.所述变换器在boost工作模式下，开关管q1管压降为v
l
，开关管q2管压降为开关管q3管压降为v
h
，所述v
l
和v
h
满足关系：其中，v
h
是高压侧电压值，d是mos管占空比，v
l
是低压侧电压值，即升压比为传统的boost变换器或双向变换器工作在boost模式下，v
l
和v
h
满足关系：升压比为可得，本技术的变换器的升压比为传统的2倍，本技术的变换器能够解决传统dc/dc变换器存在升压比低的问题。
48.所述变换器在buck工作模式下，在一个周期内由buck第一模态和buck第二模态构成；
49.buck第一模态为：开关管q1、开关管q3导通，开关管q2关断，电容c3、电容c4给电感l、电容c1充能，电感l电流线性上升，电容c1给低压侧v
l
提供能量。开关管q2关断时其两端电压下降速率较大，开关管q3导通时其两端电压上升速率较大，从而会使变换器产生较大的功
率波动，超级电容c1的功率快速吞吐能力可以有效减少功率波动带来的干扰，减少其他元件的工作负担、延长循环使用寿命，维持直流稳定，使抽水蓄能电机在此阶段能平稳地工作；
50.buck第二模态为：开关管q1导通，开关管q2导通，开关管q3关断时，电感l给电容c1充能，电感l电流线性下降，高压侧v
h
给电容c3、电容c4充能，实现降压。同理，超级电容c1的功率快速吞吐能力可以有效减少开关管q2导通、开关管q3关断带来的功率波动干扰，使抽水蓄能电机在此阶段能平稳地工作。
51.如图6和图7所示，由于整流二极管d7的设置，buck工作模式中电感l的能量只能供给电容c1，而且电容c1能够将转子侧变流器中通过的功率全部吸收储存，用以维持直流母线电压的稳定，电容c1通过吸收电感l和两侧功率波动导致的能量来实现能量回收。能量回收的具体效果为其中，p
t
为正常工作时机组的输出功率，t为故障持续时间，t1、t2分别为buck工作模式第一、二模态持续时间，u
max
、u
min
为电容c1允许的最大工作电压和正常工作电压。
52.所述变换器在buck工作模式下，开关管q1管压降为0，开关管q2管压降为v
h
，mos管q3管压降为v
h
，v
h
为高压侧电压。
53.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。