適用于新能源直流并網(wǎng)的高效直流變換器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種適用于新能源直流并網(wǎng)的高效直流變換器，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，適用于高壓直流輸出的大功率場(chǎng)合。
【背景技術(shù)】
[0002]日益增長(zhǎng)的氣候變化和全球變暖的關(guān)注，以及石油價(jià)格的飆升，已經(jīng)推動(dòng)了可再生能源技術(shù)在過(guò)去的幾十年里快速發(fā)展。其中，太陽(yáng)能和風(fēng)能是最受歡迎的可再生能源，人們對(duì)兩者的開(kāi)發(fā)利用已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究。由于不斷增加的可再生能源的電力滲透，直流電網(wǎng)逐漸得到重視。同時(shí)，由于現(xiàn)代電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，許多可再生能源很方便地就能通過(guò)電力電子裝置直接得到直流電源。此外，如燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)等自身就是直流系統(tǒng)。因此，將這些直流電源和儲(chǔ)能裝置直接連接到直流電網(wǎng)的研究活動(dòng)已被廣泛地進(jìn)行。在這其中，大功率DC/DC變換器是新能源與直流電網(wǎng)或者直流輸電之間非常重要的一環(huán)。關(guān)于中高頻隔離DC/DC變換器已經(jīng)有了大量的研究，并且在傳輸效率、系統(tǒng)可靠性等方面有了不少突破。然而，仍然存在幾個(gè)主要的問(wèn)題阻礙了變換器功率水平的進(jìn)一步增長(zhǎng)，如較高的功率損失和較大的輸出濾波電感。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問(wèn)題:本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)全橋變換器的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)要么輔助電路比較復(fù)雜不容易控制，要么會(huì)產(chǎn)生環(huán)流增加半導(dǎo)體器件導(dǎo)通損耗等情況，同時(shí)考慮到高效率的大功率DC/DC變換器在不斷壯大的新能源發(fā)電中的重要性，提出了一種既能有效減小系統(tǒng)功率損耗又能實(shí)現(xiàn)控制相對(duì)簡(jiǎn)單的電路拓?fù)浼捌淇刂品椒ā?br>[0004]技術(shù)方案:一種適用于新能源直流并網(wǎng)的高效直流變換器，所述直流變換器輸入側(cè)包括輸入濾波電容、第一至第六開(kāi)關(guān)管、第一變壓器原邊、包含有第一變壓器原邊漏感的輸入側(cè)電感和包含有第二變壓器原邊漏感的第二變壓器原邊；
[0005]所述第一開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第二開(kāi)關(guān)管的集電極組成第一橋臂，第三開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第四開(kāi)關(guān)管的集電極組成第二橋臂，第五開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極連接第六開(kāi)關(guān)管的集電極組成第三橋臂;所述輸入濾波電容的正極分別連接第一開(kāi)關(guān)管、第三開(kāi)關(guān)管和第五開(kāi)關(guān)管的集電極，負(fù)極分別連接第二開(kāi)關(guān)管、第四開(kāi)關(guān)管和第六開(kāi)關(guān)管的發(fā)射極，且輸入濾波電容兩側(cè)連接輸入電壓;所述第一變壓器原邊和輸入側(cè)電感串聯(lián)后，一端連接第一開(kāi)關(guān)管和第二開(kāi)關(guān)管的中間節(jié)點(diǎn)，一端連接第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管的中間節(jié)點(diǎn)，使得第一變壓器原邊、輸入側(cè)電感、第一橋臂和第二橋臂組成第一全橋，且第一變壓器原邊同名端靠近第一橋臂；
[0006]所述第二變壓器原邊一端連接第三開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管的中間節(jié)點(diǎn)，一端連接第五開(kāi)關(guān)管和第六開(kāi)關(guān)管的中間節(jié)點(diǎn)，使得第二變壓器原邊、第二橋臂和第三橋臂組成第二全橋，且第二變壓器原邊同名端靠近第三橋臂；
[0007]所述直流變換器輸出側(cè)是包含有第一至第二變壓器的副邊、第一至第二二極管和第一至第二輸出電容的倍壓整流電路;所述第一二極管的正極連接第二二極管的負(fù)極，第二二極管的正極連接第二輸出電容的負(fù)極，第二輸出電容的正極連接第一輸出電容的負(fù)極，第一輸出電容的正極連接第一二極管的正極;所述第一變壓器的副邊的異名端連接第二變壓器的副邊的同名端，第二變壓器的副邊的異名端連接第一至第二輸出電容的中間節(jié)點(diǎn)，第一變壓器的副邊的同名端連接第一至第二二極管的中間節(jié)點(diǎn)；且串聯(lián)后的第一至第二輸出電容兩側(cè)連接輸出電壓。
[0008]本發(fā)明還提供一種適用于新能源直流并網(wǎng)的高效直流變換器的控制方法，具體方法如下:
[0009](I)第一開(kāi)關(guān)管和第四開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形完全一樣，第二開(kāi)關(guān)管和第三開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)波形完全一樣，第一至第四開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)占空比恒為0.5，且第一開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)與第二開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)，第四開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)與第三開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)互補(bǔ)；
[0010](2)第五開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通起點(diǎn)與第一開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通起點(diǎn)相同，第六開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通起點(diǎn)與第二開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通起點(diǎn)相同；
[0011](3)第五開(kāi)關(guān)管和第六開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)的占空比相等，通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)調(diào)節(jié)二者的占空比使電路達(dá)穩(wěn)態(tài)。
[0012]本發(fā)明還提供適用于新能源直流并網(wǎng)的高效直流變換器的控制方法實(shí)現(xiàn)的工作方法，一個(gè)周期內(nèi)包括六種工作模態(tài);其中:Vin為輸入電壓，V。為輸出電壓，Ql為第一開(kāi)關(guān)管，Q2為第二開(kāi)關(guān)管，Q3為第三開(kāi)關(guān)管，Q4為第四開(kāi)關(guān)管，Q5為第五開(kāi)關(guān)管，Q6為第六開(kāi)關(guān)管；!^為原副邊匝比為1:見(jiàn)的第一變壓器，!^為原副邊匝比為1:他的第二變壓器，Cin為輸入濾波電容，Lf為包含有第一變壓器原邊漏感的輸入側(cè)電感;D1S第一二極管，02為第二二極管，Ccil為第一輸出電容和Cm為第二輸出電容；iP」為從第一變壓器原邊同名端流入的電流，iP—2為從第二變壓器原邊同名端流入的電流，為流經(jīng)第一二極管的電流，iD—2為流經(jīng)第二二極管的電流;所述六種工作模態(tài)如下，其中t<t6為一個(gè)完整的開(kāi)關(guān)周期:to<t<t3為前半周期，t3 < t<t6后半周期:
[0013]模態(tài)一:to<t<ti
[OOM] to時(shí)刻是一個(gè)新開(kāi)關(guān)周期的起點(diǎn)；在所述to時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Q2和Q3關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Ql、Q4和Q5開(kāi)通，Q6處于關(guān)斷狀態(tài)保持不變;在to時(shí)刻之前，電流iP—1、ip_2、iD—1、iD—2均已為O，所以Q2和Q3實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Ql、Q4和Q5則為零電流開(kāi)通;t<tl時(shí)間區(qū)間內(nèi)，電流ip—1、iP—2、iD—i均正向線性上升，iD—2仍為0;輸入側(cè)電流分為兩路:第一路從Vin的正極出發(fā)，流經(jīng)Q1、Lf、T1的原邊和Q4，回到負(fù)極;第二路從Vin的正極出發(fā)，流經(jīng)Q5、T2的原邊和Q4，回到Vin的負(fù)極;輸出側(cè)電流線性上升，流經(jīng)Cm、兩個(gè)電壓器副邊和D1，方向?yàn)樽儔浩鞲边呁肆鞒龅姆较颍?br>[0015]模態(tài)二:ti<t<t2
[0016]t時(shí)刻Q5關(guān)斷，其余5個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)保持不變;t < t<t2時(shí)間區(qū)間內(nèi)，iP—hip—2、iD—i均線性下降，iD—2保持為0;輸入側(cè)第一路電流方向和電流通路與模態(tài)一中相同；第二路電流方向與模態(tài)一中相同，但由于Q5的關(guān)斷，只在由Q4、T2的原邊和Q6的反并聯(lián)二極管組成的環(huán)路內(nèi)流動(dòng);輸出側(cè)電流線性下降，電流方向和電流通路與模態(tài)一中相同；
[0017]模態(tài)三:t2<t<t3
[0018]t2時(shí)刻，6個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)保持不變，ip—1、ip—2、iD—I均下降為O，iD—2也仍為O;?2 < t<t3時(shí)間區(qū)間內(nèi)，兩個(gè)變壓器和輸入側(cè)的6個(gè)開(kāi)關(guān)管均無(wú)電流通過(guò)，輸出側(cè)也只由兩個(gè)電容(^和Co2向負(fù)載供電；
[0019]模態(tài)四:t3<t<t4
[0020]t3時(shí)刻是前半個(gè)開(kāi)關(guān)周期的結(jié)束點(diǎn)，也是后半個(gè)開(kāi)關(guān)周期的起點(diǎn)；在t3時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管Ql和Q4關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Q2、Q3和Q6開(kāi)通，Q5處于關(guān)斷狀態(tài)保持不變;在七3時(shí)刻之如，電流ip—1、ip—2、iD—l、iD—2均已為O，所以Ql和Q4實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷，開(kāi)關(guān)管Q2、Q3和Q6則為零電流開(kāi)通;t3
<t<t4時(shí)間區(qū)間內(nèi)，ip—1、ip—2反向線性上升，iD—2正向線性上升，iD—I仍為O ;輸入側(cè)電流也分為兩路:第一路從Vin的正極出發(fā)，流經(jīng)Q3、T1的原邊、Lf和出，回到L負(fù)極;第二路從正極出發(fā)，流經(jīng)Q3、T^原邊和Q6,回到Vin的負(fù)極;輸出側(cè)電流線性上升，流經(jīng)D2、兩個(gè)電壓器副邊和Ccll，為變壓器副邊同名端流入的方向。
[0021]模態(tài)五:t4《t<t5
[0022]t4時(shí)刻Q6關(guān)斷，其余5個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)保持不變;t4 < t <t5時(shí)間區(qū)間內(nèi)，iP_l、iP_2、iD_2均線性下降，保持為O;輸入側(cè)第一路電流方向和電流通路與模態(tài)四中相同；第二路電流方向與模態(tài)四中相同，但由于Q6的關(guān)斷，只在由Q3、T2的原邊和^的反并聯(lián)二極管組成的環(huán)路內(nèi)流動(dòng);輸出側(cè)電流線性下降，電流方向和電流通路與模態(tài)四中相同；
[0023]模態(tài)六:t5^t<t6
[0024]t5時(shí)刻，6個(gè)開(kāi)關(guān)管狀態(tài)保持不變，iP—1、iP_2、iD—