專利名稱：一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域，涉及直流電源變換系統(tǒng)中的功率變換裝置，特別涉及一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法。
背景技術(shù)：
隨著對(duì)可再生能源的不斷開(kāi)發(fā)利用，所產(chǎn)生的電能需要通過(guò)合理的方式進(jìn)行傳輸或存儲(chǔ)，比如光伏發(fā)電和燃料電池發(fā)電技術(shù)中，電能產(chǎn)生端發(fā)出的直流電可以通過(guò)直流變換器，得到較為穩(wěn)定的直流母線電壓，一方面可以通過(guò)逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，為交流負(fù)載供電；另一方面，也可以直接或再次通過(guò)直流變換器為直流負(fù)載供電。為了將多余的能量進(jìn)行存儲(chǔ)，以及在光照或燃料不足的情況下，儲(chǔ)能單元能為負(fù)載提供不足部分的能量， 需要將存儲(chǔ)的能量釋放到直流母線端。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，目前最好的能量轉(zhuǎn)換方式是通過(guò)雙向直流變換器來(lái)完成。
對(duì)于存儲(chǔ)電能的蓄電池或超級(jí)電容來(lái)說(shuō)，為了得到更高的容積效率，一般電壓等級(jí)比較低；對(duì)于傳輸電能的直流母線來(lái)說(shuō)，為了提高電能傳輸效率，需要提高電壓等級(jí)。這樣，就會(huì)出現(xiàn)儲(chǔ)能端的電壓等級(jí)與直流母線端的電壓等級(jí)差異很大，即雙向變換器需要提供很大的電壓變換比，并且較高的直流母線電壓對(duì)功率開(kāi)關(guān)的耐壓等級(jí)提出了更高的要求。所帶來(lái)的問(wèn)題是，雙向直流變換器需要通過(guò)變壓器來(lái)解決電壓的大變換比問(wèn)題，否則， 直流變換器將出現(xiàn)極端占空比問(wèn)題，功率開(kāi)關(guān)難以響應(yīng)極端窄的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。另外，功率開(kāi)關(guān)耐壓等級(jí)的提高，意味著通態(tài)壓降和導(dǎo)通電阻的升高、功率開(kāi)關(guān)的上限開(kāi)關(guān)頻率下降。
發(fā)明人在實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下的缺點(diǎn)和不足
傳統(tǒng)的兩電平雙向直流變換器在高壓變換場(chǎng)合存在功率開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力大、開(kāi)關(guān)損耗大、濾波器體積大以及dv/dt高等突出問(wèn)題，現(xiàn)有的三電平雙向直流變換器解決了上述問(wèn)題，但是在特殊的大變換比場(chǎng)合，功率開(kāi)關(guān)將難以響應(yīng)極窄的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)、功率開(kāi)關(guān)極易出現(xiàn)極端占空比的問(wèn)題。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法，該方案解決了具有傳統(tǒng)三電平雙向直流變換器特性的同時(shí)使得在大變換比的情況下功率開(kāi)關(guān)響應(yīng)極窄的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，避免了功率開(kāi)關(guān)工作在極端占空比狀態(tài)，詳見(jiàn)下文描述
—種三電平雙向直流變換器，所述三電平雙向直流變換器包括低壓直流側(cè)濾波電容、高壓直流側(cè)第一濾波電容、高壓直流側(cè)第二濾波電容、第一續(xù)流二極管、第二續(xù)流二極管、第三續(xù)流二極管、第四續(xù)流二極管、第五續(xù)流二極管、第六續(xù)流二極管、第七續(xù)流二極管、第八續(xù)流二極管、第一箝位二極管、第二箝位二極管、第三箝位二極管、第四箝位二極管、第一可控功率開(kāi)關(guān)、第二可控功率開(kāi)關(guān)、第三可控功率開(kāi)關(guān)、第四可控功率開(kāi)關(guān)、第五可控功率開(kāi)關(guān)、第六可控功率開(kāi)關(guān)、第七可控功率開(kāi)關(guān)、第八可控功率開(kāi)關(guān)、高壓直流側(cè)母線電壓、低壓直流側(cè)母線電壓和儲(chǔ)能電感，
所述三電平雙向直流變換器由2個(gè)半橋構(gòu)成，所述低壓直流側(cè)母線電壓的正極性端分別與所述儲(chǔ)能電感的一端和所述低壓直流側(cè)濾波電容的一端相連，所述低壓直流側(cè)母線電壓的負(fù)極性端分別與所述低壓直流側(cè)濾波電容的另一端和右半橋的中點(diǎn)相連；所述儲(chǔ)能電感的另一端連接左半橋的中點(diǎn)，所述左半橋的中點(diǎn)分別與所述第二續(xù)流二極管的陽(yáng)極、所述第二可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第三可控功率開(kāi)關(guān)的集電極和所述第三續(xù)流二極管的陰極相連；所述第二續(xù)流二極管的陰極分別與所述第二可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第一可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第一續(xù)流二極管的陽(yáng)極和所述第一箝位二極管的陰極相連；所述第一續(xù)流二極管的陰極分別與所述第一可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第五可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第五續(xù)流二極管的陰極、所述高壓直流側(cè)第一濾波電容的一端和所述高壓直流側(cè)母線電壓的正極性端相連；所述第三續(xù)流二極管的陽(yáng)極分別與所述第三可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第四可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第四續(xù)流二極管的陰極和所述第二箝位二極管的陽(yáng)極相連；所述第二箝位二極管的陰極分別與所述第一箝位二極管的陽(yáng)極、所述第三箝位二極管的陽(yáng)極、所述第四箝位二極管的陰極、所述高壓直流側(cè)第一濾波電容的另一端和所述高壓直流側(cè)第二濾波電容的一端相連；所述第四續(xù)流二極管的陽(yáng)極分別與所述第四可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第八可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第八續(xù)流二極管的陽(yáng)極、所述高壓直流側(cè)第二濾波電容的另一端和所述高壓直流側(cè)母線電壓的負(fù)極性端相連；所述第五續(xù)流二極管的陽(yáng)極分別與所述第五可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第三箝位二極管的陰極、所述第六可控功率開(kāi)關(guān)的集電極和所述第六續(xù)流二極管的陰極相連；所述第四箝位二極管的陽(yáng)極分別與所述第七可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極、所述第八可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第七續(xù)流二極管的陽(yáng)極和所述第八續(xù)流二極管的陰極相連；所述第七續(xù)流二極管的陰極、所述第七可控功率開(kāi)關(guān)的集電極、所述第六可控功率開(kāi)關(guān)的發(fā)射極和所述第六續(xù)流二極管的陽(yáng)極同時(shí)連接所述右半橋的中點(diǎn)。
所述第一可控功率開(kāi)關(guān)、所述第二可控功率開(kāi)關(guān)、所述第三可控功率開(kāi)關(guān)、所述第四可控功率開(kāi)關(guān)、所述第五可控功率開(kāi)關(guān)、所述第六可控功率開(kāi)關(guān)、所述第七可控功率開(kāi)關(guān)和所述第八可控功率開(kāi)關(guān)具體為低耐壓的可控功率開(kāi)關(guān)。
一種三電平雙向直流變換器的脈沖寬度控制方法，所述方法包括以下步驟
(1)所述三電平雙向直流變換器工作在Buck模式時(shí)，根據(jù)第一脈沖寬度調(diào)制規(guī)則對(duì)雙調(diào)制波va、Vb與相移180度的三角載波V。a iCTl、V。a iCT2進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制；
所述第一脈沖寬度調(diào)制規(guī)則具體為^b >^1' S1=O
Γ > V— g2!，調(diào)制度 ma > mb > 0. 5 ；'"a ^ ^carrierl'^bS8=O
獲取所述三電平雙向直流變換器工作在所述Buck模式時(shí)，高壓直流側(cè)電壓與低壓直流側(cè)電壓的關(guān)系為
Ulow = (ma-mb) XUhigh
所述第一可控功率開(kāi)關(guān)、所述第二可控功率開(kāi)關(guān)、所述第七可控功率開(kāi)關(guān)和所述第八可控功率開(kāi)關(guān)的占空比為
權(quán)利要求
1.一種三電平雙向直流變換器，其特征在于，所述三電平雙向直流變換器包括低壓直流側(cè)濾波電容(Cfl)、高壓直流側(cè)第一濾波電容(Cf2)、高壓直流側(cè)第二濾波電容(Cf3)、第一續(xù)流二極管(D1)、第二續(xù)流二極管(D2)、第三續(xù)流二極管(D3)、第四續(xù)流二極管(D4)、第五續(xù)流二極管(D5)、第六續(xù)流二極管(D6)、第七續(xù)流二極管(D7)、第八續(xù)流二極管(D8)、第一箝位二極管(DJ、第二箝位二極管(D。2)、第三箝位二極管(D。3)、第四箝位二極管(D。4)、第一可控功率開(kāi)關(guān)(S)、第二可控功率開(kāi)關(guān)(S2)、第三可控功率開(kāi)關(guān)(S3)、第四可控功率開(kāi)關(guān) (S4)、第五可控功率開(kāi)關(guān)(S5)、第六可控功率開(kāi)關(guān)(S6)、第七可控功率開(kāi)關(guān)(S7)、第八可控功率開(kāi)關(guān)(S8)、高壓直流側(cè)母線電壓(Uhigh)、低壓直流側(cè)母線電壓(U1ot)和儲(chǔ)能電感(Lf)，所述三電平雙向直流變換器由2個(gè)半橋構(gòu)成，所述低壓直流側(cè)母線電壓(U1ot)的正極性端分別與所述儲(chǔ)能電感(Lf)的一端和所述低壓直流側(cè)濾波電容(Cfl)的一端相連，所述低壓直流側(cè)母線電壓(Ulw)的負(fù)極性端分別與所述低壓直流側(cè)濾波電容(Cfl)的另一端和右半橋的中點(diǎn)(b)相連；所述儲(chǔ)能電感(Lf)的另一端連接左半橋的中點(diǎn)(a)，所述左半橋的中點(diǎn)(a)分別與所述第二續(xù)流二極管(D2)的陽(yáng)極、所述第二可控功率開(kāi)關(guān)(S2)的發(fā)射極、 所述第三可控功率開(kāi)關(guān)(S3)的集電極和所述第三續(xù)流二極管(D3)的陰極相連；所述第二續(xù)流二極管(D2)的陰極分別與所述第二可控功率開(kāi)關(guān)(S2)的集電極、所述第一可控功率開(kāi)關(guān)(S1)的發(fā)射極、所述第一續(xù)流二極管(D1)的陽(yáng)極和所述第一箝位二極管(Dca)的陰極相連；所述第一續(xù)流二極管(D1)的陰極分別與所述第一可控功率開(kāi)關(guān)(S1)的集電極、所述第五可控功率開(kāi)關(guān)(S5)的集電極、所述第五續(xù)流二極管(D5)的陰極、所述高壓直流側(cè)第一濾波電容(Cf2)的一端和所述高壓直流側(cè)母線電壓(Igh)的正極性端相連；所述第三續(xù)流二極管(D3)的陽(yáng)極分別與所述第三可控功率開(kāi)關(guān)(S3)的發(fā)射極、所述第四可控功率開(kāi)關(guān)(S4) 的集電極、所述第四續(xù)流二極管(D4)的陰極和所述第二箝位二極管(D。2)的陽(yáng)極相連；所述第二箝位二極管Φ。2)的陰極分別與所述第一箝位二極管(Dca)的陽(yáng)極、所述第三箝位二極管Φ。3)的陽(yáng)極、所述第四箝位二極管(D。4)的陰極、所述高壓直流側(cè)第一濾波電容(Cf2)的另一端和所述高壓直流側(cè)第二濾波電容(Cf3)的一端相連；所述第四續(xù)流二極管(D4)的陽(yáng)極分別與所述第四可控功率開(kāi)關(guān)(S4)的發(fā)射極、所述第八可控功率開(kāi)關(guān)(S8)的發(fā)射極、所述第八續(xù)流二極管(D8)的陽(yáng)極、所述高壓直流側(cè)第二濾波電容(Cf3)的另一端和所述高壓直流側(cè)母線電壓(Uhigh)的負(fù)極性端相連；所述第五續(xù)流二極管(D5)的陽(yáng)極分別與所述第五可控功率開(kāi)關(guān)(S5)的發(fā)射極、所述第三箝位二極管(D。3)的陰極、所述第六可控功率開(kāi)關(guān) (S6)的集電極和所述第六續(xù)流二極管(D6)的陰極相連；所述第四箝位二極管(D。4)的陽(yáng)極分別與所述第七可控功率開(kāi)關(guān)(S7)的發(fā)射極、所述第八可控功率開(kāi)關(guān)(S8)的集電極、所述第七續(xù)流二極管(D7)的陽(yáng)極和所述第八續(xù)流二極管(D8)的陰極相連；所述第七續(xù)流二極管 (D7)的陰極、所述第七可控功率開(kāi)關(guān)(S7)的集電極、所述第六可控功率開(kāi)關(guān)( )的發(fā)射極和所述第六續(xù)流二極管(D6)的陽(yáng)極同時(shí)連接所述右半橋的中點(diǎn)(b)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種三電平雙向直流變換器，其特征在于，所述第一可控功率開(kāi)關(guān)(S)、所述第二可控功率開(kāi)關(guān)(S2)、所述第三可控功率開(kāi)關(guān)(S3)、所述第四可控功率開(kāi)關(guān)(S4)、所述第五可控功率開(kāi)關(guān)(S5)、所述第六可控功率開(kāi)關(guān)(S6)、所述第七可控功率開(kāi)關(guān)(S7)和所述第八可控功率開(kāi)關(guān)(S8)具體為低耐壓的可控功率開(kāi)關(guān)。
3.一種用于權(quán)利要求1所述的三電平雙向直流變換器的脈沖寬度控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟(1)所述三電平雙向直流變換器工作在Buck模式時(shí)，根據(jù)第一脈沖寬度調(diào)制規(guī)則對(duì)雙調(diào)制波Va、Vb與相移180度的三角載波V。a iCTl、V。a iCT2進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制；所述第一脈沖寬度調(diào)制規(guī)則具體為 ^b >^1' S1=O-TJv^ .二，調(diào)制度5;
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種三電平雙向直流變換器及其脈沖寬度控制方法，涉及電力電子功率變換技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明的高壓直流側(cè)的第一濾波電容和第二濾波電容在脈沖寬度控制方法下，能在載波周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)自平衡控制，可有效減小電容電壓波動(dòng)；功率器件的電壓應(yīng)力可均為高壓直流側(cè)電壓的一半，兩個(gè)“半橋”輸出的脈寬電壓幅值為高壓直流側(cè)電壓的一半，即可減小濾波電感值和電容容量，并降低了dv/dt；相對(duì)于現(xiàn)有的三電平雙向直流變換器來(lái)說(shuō)，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)高、低壓直流側(cè)之間大變換比的能量變換時(shí)，無(wú)需變壓器，并且避免功率開(kāi)關(guān)工作在極端占空比狀態(tài)。
文檔編號(hào)H02M3/156GK102510215SQ201110365820
公開(kāi)日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月17日
發(fā)明者張?jiān)?申請(qǐng)人:天津大學(xué)