基于三端口全橋dc/dc變換器的零功率電流控制系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種基于三端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括三端口全橋變換器，其包括變壓器和位于變壓器原邊的第一端口變換器和位于變壓器副邊的第二端口變換器和第三端口變換器，三個(gè)端口變換器的電路結(jié)構(gòu)相同，均包括電源，電源兩端并聯(lián)有電容，通過全橋電路連接至變壓器的線圈，第一端口變換器的電源向第三端口變換器的電源傳遞功率，所述第二端口變換器的電源為隔離電源，所述控制器通過采集三個(gè)端口變換器電源的電壓、電流信息，控制三個(gè)端口變換器的全橋電路的開、斷及移相角，使三端口全橋變換器實(shí)現(xiàn)零功率恒流充電，能夠滿足三端口變換器對(duì)主電池進(jìn)行恒流充電。
【專利說明】
基于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)及儲(chǔ)能 系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型設(shè)及一種基于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)及儲(chǔ)能 系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] Ξ端口 DC/DC整合了給主電源供電的充電器和主電源給輔助電源供電的DC/DC變 換器。在充電模式下輔助電源是被隔離的。在主電源給輔助電源供電下，充電端口是隔離 的。移相控制技術(shù)運(yùn)用于Ξ端口 DC/DC變換器上，能夠方便的管理能量的傳輸，且易于實(shí)現(xiàn) 功率器件的軟開關(guān)。因?yàn)橹麟姵爻潆娪泻懔鞒潆姾秃銐撼潆娺^程，零功率控制下的恒流充 電第一次被提出。主電源恒流充電不同于普通的直流電源，它的工作負(fù)載范圍非常寬，隨著 恒流充電過程的進(jìn)行，電池端口電壓是變換的。為了在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)保證輔助電源一 直處于零功率，運(yùn)里對(duì)恒流充電下的零功率條件進(jìn)行分析，并且通過實(shí)時(shí)采樣實(shí)現(xiàn)零功率 下的恒流充電。
[0003] 關(guān)于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功率控制，一些文獻(xiàn)給出了相關(guān)說明，如期刊 《I邸E TRANSACTIONS ON POWER ELECTR0NICS》2008年，第23卷，第五期，2443-2453頁刊登 題為"An Isolated Three-Port Bidirectional DC-DCConve;rter With Decoupled Power Flow Management"的論文（作者Qiuanhong Zhao,Simon D.Round等人）首次給出了在不同 儲(chǔ)能元件之間，Ξ端口不同端口之間的能量只在兩個(gè)端口流動(dòng)運(yùn)種現(xiàn)象。
[0004] 關(guān)于Ξ端口DC/DC變換器下的零功率電壓控制，一些文獻(xiàn)給出了相關(guān)說明，如期刊 《I邸Ε TRANSACTIONS ON POWER ELECTR0NICS》2012年，第27卷，第五期，2495-2506頁刊登 題為"Idling Port Isol曰tion Control ofThree-PortBidirection曰 1 Converter for EVs"的論文（作者Sung化ung Kim,化ng-Seok Song等人）首次給出了零功率控制下恒壓充 電的控制框圖，并且進(jìn)行建模和理論分析，提出將Ξ端口DC/DC變換器作為電動(dòng)汽車一體化 充電器的想法，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。
[0005] 南京航空航天大學(xué)的2014年碩±畢業(yè)論文，題為"Ξ端口全橋變換器的優(yōu)化零功 率流"（作者蔣永福）的論文ΚΞ端口全橋?yàn)橥負(fù)?，提出了電壓電流閉環(huán)的單移相控制方法， 該方法是對(duì)零功率流端口采用電流閉環(huán)，輸出端口仍然采用電壓閉環(huán)。
[0006] 上述Ξ種方法都是對(duì)輸出端口采用電壓閉環(huán)，對(duì)主電池進(jìn)行恒壓充電。但是典型 的Ξ段式充電需要進(jìn)行恒流充電，在充電電流固定的情況下，主電池的電壓是變換的，并不 能對(duì)主電池采用電壓閉環(huán)的控制方式。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0007] 本實(shí)用新型為了解決上述問題，提出了一種基于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功 率電流控制系統(tǒng)及儲(chǔ)能系統(tǒng)，本實(shí)用新型通過實(shí)時(shí)采集主電池的輸出電流得到主電池的移 相角，通過實(shí)時(shí)采集主電源和主電池的電壓，根據(jù)推導(dǎo)出的零功率公式實(shí)時(shí)計(jì)算隔離端口 的移相角，能夠滿足Ξ端口變換器對(duì)主電池進(jìn)行恒流充電。
[0008] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0009] -種基于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)，包括Ξ端口全橋變換 器和控制器，其中：
[0010] 所述Ξ端口全橋變換器，包括變壓器和位于變壓器原邊的第一端口變換器和位于 變壓器副邊的第二端口變換器和第Ξ端口變換器，Ξ個(gè)端口變換器的電路結(jié)構(gòu)相同，均包 括電源，電源兩端并聯(lián)有電容，通過全橋電路連接至變壓器的線圈；
[0011] 所述第一端口變換器的電源向第Ξ端口變換器的電源傳遞功率，所述第二端口變 換器的電源為隔離電源，所述控制器通過采集Ξ個(gè)端口變換器電源的電壓、電流信息，控制 Ξ個(gè)端口變換器的全橋電路的開、斷及移相角，使Ξ端口全橋變換器實(shí)現(xiàn)零功率恒流充電。
[0012] 所述控制器通過電壓調(diào)節(jié)器連接第二端口變換器，通過電流調(diào)節(jié)器連接第Ξ端口 變換器。
[0013] 所述第Ξ端口變換器還連接有低通濾波器。
[0014] 優(yōu)選的，可W用于基于上述系統(tǒng)的控制方法，具體步驟包括：
[0015] (1)在第Ξ端口變換器對(duì)充電電流進(jìn)行采樣，將其與電流給定值進(jìn)行比較，偏差經(jīng) 過電流調(diào)節(jié)器，獲取電流閉環(huán)控制器的移相角，送至第Ξ端口變換器控制其開關(guān)管；
[0016] (2)采集第一端口變換器和第Ξ端口變換器的端口電壓，計(jì)算得到基波分量，結(jié)合 第Ξ端口變換器的移相角，計(jì)算使得第二端口變換器傳輸功率等于零的參考電壓；
[0017] (3)采集第二端口變換器的端口電壓，控制器將其與計(jì)算的參考電壓進(jìn)行比較，得 到第二端口變換器的移相角，控制第二端口變換器開關(guān)管的導(dǎo)通。
[0018] 所述步驟(2)中，因?yàn)榛üβ式朴谟泄β?，為了便于分析，利用基波分量?替交流信號(hào)，確定Ξ端口全橋變換器等效到原邊的基波量。
[0019] 所述步驟(2)中，根據(jù)漏感電流在各個(gè)時(shí)刻都連續(xù)，得到任一端口變換器的電流的 邊界條件。
[0020] 所述步驟(2)中，對(duì)變壓器交流側(cè)的高頻電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換。
[0021 ]所述步驟(3)中，當(dāng)?shù)谝欢丝谧儞Q器和第二端口變換器、第二端口變換器和第Ξ端 口變換器的傳輸功率相等時(shí)，第二端口變換器實(shí)現(xiàn)零功率。
[0022] -種儲(chǔ)能系統(tǒng)，包括如上述所述的基于Ξ端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控 制系統(tǒng)。
[0023] 本實(shí)用新型的有益效果為：
[0024] (1)本實(shí)用新型通過實(shí)時(shí)采集主電池的輸出電流得到主電池的移相角，通過實(shí)時(shí) 采集主電源和主電池的電壓，根據(jù)推導(dǎo)出的零功率公式實(shí)時(shí)計(jì)算隔離端口的移相角；
[0025] (2)本實(shí)用新型可用于航空航天、光伏發(fā)電等多儲(chǔ)能系統(tǒng)中需要某一儲(chǔ)能原件輸 出功率是零的同時(shí)對(duì)其余原件采用恒流充電。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本實(shí)用新型的Ξ端口全橋變換器的拓?fù)涫疽鈭D；
[0027] 圖2為本實(shí)用新型的穩(wěn)態(tài)工作情況下的波形示意圖；
[0028] 圖3為本實(shí)用新型的充電模式下的零功率向量圖；
[0029] 圖4(a)為本實(shí)用新型的Ξ端口全橋電路等效到原邊的Ξ角形簡(jiǎn)化電路圖；
[0030] 圖4(b)為本實(shí)用新型的Ξ端口全橋電路等效到原邊的星形電路圖；
[0031 ]圖5為本實(shí)用新型的零功率下的恒流充電控制框圖。
【具體實(shí)施方式】：
[0032] 下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。
[0033] 為了滿足Ξ端口變換器對(duì)主電池進(jìn)行恒流充電，本實(shí)用新型提出一種零功率下恒 流充電控制策略，該控制策略用于Ξ端口全橋DC/DC變換器，W圖1給出了的拓?fù)錇槔?br>[0034] 本實(shí)用新型通過實(shí)時(shí)采集主電池的輸出電流得到主電池的移相角，通過實(shí)時(shí)采集 主電源和主電池的電壓，根據(jù)推導(dǎo)出的零功率公式實(shí)時(shí)計(jì)算隔離端口的移相角。
[00對(duì)立端日全橋變換器的拓?fù)鋀圖巧例，&-C3為端口 1 -3的電容。ViDC是主電源，可W 是交流電源經(jīng)過不控整流或功率因數(shù)校正(PFC)得到，V'2DC是輔助電源，V'3DC是主電池;Li， L'2，L'3代表了高頻變壓器的漏感電流;變壓器Ξ個(gè)端口之間的變比是l:m:n2;vi，v'2，v'3 代表了變壓器交流側(cè)的電壓。下面的分析W端口 1電源向端口 3主電池傳遞功率，端口 2輔助 電源是隔離控制為例說明零功率電流控制。
[0036] 圖2為穩(wěn)態(tài)工作情況下的波形。V1-V3是變壓器交流側(cè)電壓折算到原邊的電壓，vi = VlDC，V2 = V ' 2Dc/ri2，V3 = V ' 3Dc/ri3。Vf rvf3是V廣V3的基波分量。
[0037] 在圖1給出了Ξ端口的基本拓?fù)?。基波功率約等于有功功率，為了便于分析，我們 用基波量代替交流信號(hào)。圖2給出了 Ξ端口全橋變換器等效到原邊的基波量。如圖4(a)、圖4 (b)所示，Y型等效電路便于建模分析，Δ型等效電路便于電路分析。其中，L2 = L'2/n22，L3 = L ' 3/〇32和1^12 = b+L2+bL2/L3，La23 = L2+L3+L2L3/L1，1^13 = b+L3+bL3/L2。我們把基波分量用 下式來表示
[00；3 引
[0039] 為了得到零功率控制，我們根據(jù)公式(1)可W得到圖3的向量圖
[0040]
[00川根據(jù)(1)，使if2 = 0,我們得到零功率下端口 2的矢量條件
[0042] 單移相控制被用來實(shí)現(xiàn)零功率控制，零巧1等于0，?Ρ2和護(hù)3代表了 Vf2和vfi與Vf3和vfi 之間的移相角。通過對(duì)變壓器交流側(cè)的高頻電壓信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，我們可W得到
各個(gè)端口間的傳輸功率見公式(2)。
[0043]
[0044] 只有在P21 = P32的時(shí)候，端口 2才會(huì)實(shí)現(xiàn)零功率。
[0045] 電路穩(wěn)態(tài)工作狀態(tài)下的工作波形見圖2。根據(jù)電感每個(gè)周期內(nèi)正負(fù)半周的安秒值 平衡，可知通過漏感La12，La32，La13的電流iL21，iL32，iLl廟半個(gè)周期內(nèi)是關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱的。 所W我們只用分析圖2中的Ι-ΙΠ 模式。在模式I:
[0051 ]根據(jù)漏感電流?在各個(gè)時(shí)刻都是連續(xù)的，可得到任一組電流的邊界條件。
[0052]根據(jù)上述公式和圖3,可W得到在移相控制下的端口 2零功率的幅值和相位條件：
[0055]根據(jù)公式(6)，得到了零功率控制下的恒流充電控制框圖W及零功率控制條件，如 圖5所示。
[0056] 該控制策略可用于Ξ端口全橋變換器，變換器可W用于由輸入直流源、輸出端口 輔助電源、主電源和高頻變壓器構(gòu)成的多儲(chǔ)能元件系統(tǒng)。該控制方法也可用于航空航天、光 伏發(fā)電等多儲(chǔ)能系統(tǒng)中需要某一儲(chǔ)能原件輸出功率是零的同時(shí)對(duì)其余原件采用恒流充電。
[0057] 2)采用單移相控制時(shí)，電路的控制信號(hào)的作用量是兩個(gè)移相角，如圖1所示，即端 口2和端口 1之間的移相角取卿，端口3和端口 1之間的移相角辦-取1。為了與其他文章立端 口的分析統(tǒng)一，我們令取1='〇。
[0058] 如圖5所示，零功率控制下的恒流充電的實(shí)現(xiàn)步驟如下：
[0059] 1)在端口 3對(duì)充電電流I'3DC采樣，通過低通濾波器LPF反饋，與電流給定值進(jìn)行比 較，偏差經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器，獲取電流閉環(huán)控制器的移相角取3,送到端口 3控制開關(guān)管。
[0060] 2)實(shí)時(shí)采集端口 1和端口 3的端口電壓VlDC，V' 3DC得出Vf 1，Vf3。同時(shí)也采集移相角 巧3,根據(jù)推導(dǎo)出的公式(6)實(shí)時(shí)計(jì)算使端口 2傳輸功率等于零的電壓參考。
[0061 ] 3)在端口 2對(duì)電壓V ' 2DC采樣后經(jīng)過調(diào)理電路，與端口 2的參考電壓進(jìn)行比較，偏差 通過電壓調(diào)節(jié)器，得到端口 2的移相角巧2,控制開關(guān)管的導(dǎo)通。
[0062]上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本實(shí)用新 型保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本實(shí)用新型的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng) 域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本實(shí)用新型的保護(hù)范 圍W內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于三端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)，其特征是:包括三端口全 橋變換器和控制器，其中： 所述三端口全橋變換器，包括變壓器和位于變壓器原邊的第一端口變換器和位于變壓 器副邊的第二端口變換器和第三端口變換器，三個(gè)端口變換器的電路結(jié)構(gòu)相同，均包括電 源，電源兩端并聯(lián)有電容，通過全橋電路連接至變壓器的線圈； 所述第一端口變換器的電源向第三端口變換器的電源傳遞功率，第二端口變換器的電 源為隔離電源，所述控制器通過采集三個(gè)端口變換器電源的電壓、電流信息，控制三個(gè)端口 變換器的全橋電路的開、斷及移相角，使三端口全橋變換器實(shí)現(xiàn)零功率恒流充電。2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于三端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)，其特 征是:所述控制器通過電壓調(diào)節(jié)器連接第二端口變換器，通過電流調(diào)節(jié)器連接第三端口變 換器。3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于三端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)，其特 征是:所述第三端口變換器還連接有低通濾波器。4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于三端口全橋DC/DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)，其特 征是：當(dāng)?shù)谝欢丝谧儞Q器和第二端口變換器、第二端口變換器和第三端口變換器的傳輸功 率相等時(shí)，第二端口變換器實(shí)現(xiàn)零功率。5. -種儲(chǔ)能系統(tǒng)，其特征是:包括如權(quán)利要求1 _4中任一項(xiàng)所述的基于三端口全橋DC/ DC變換器的零功率電流控制系統(tǒng)。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK205666757SQ201620458866
【公開日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年5月19日
【發(fā)明人】王輝, 凌志翔
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)