CN105634288A - 一种基于超级电容器储能系统的双向dc/dc变换器拓扑 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，包括了超级电容器储能单元和级联双向Buck/Boos-LLC？DC/DC变换器；其中超级电容器储能单元连接级联双向Buck/Boos-LLC？DC/DC变换器对外实现能量存储、释放；双向Buck/Boost？DC/DC变换器和双向全桥LLC谐振DC/DC变换器串联组成的级联双向Buck/Boos-LLC？DC/DC变换器，可根据外接应用系统的需求进行功率双向流动。本发明通过双向Buck/Boost？DC/DC变换器和双向全桥LLC谐振DC/DC变换器中电压、电流的实时检测对功率变换器中开关管进行PWM控制，稳定双向DC/DC变换器的功率输出，实现电压的稳定调节，有效提高了超级电容器储能系统的储能效率和系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，属于储能技术和电力电子技术领域。
背景技术
超级电容器储能系统(SCESS-SuperCapacitorEnergyStorageSystem)作为一种实现能量快速储存、释放及功率双向流动的储能系统，相对于其他储能系统，具有较为突出的优点：储能效率高、功率密度高、响应速度快、循环使用寿命长。该储能系统广泛应用于现代工业、国防军工、航空航天等领域，对平滑、缓冲不稳定的电能需求，改善电能质量，实现能量储存具有十分重要的作用。
超级电容器储能系统在能量存储、释放过程中超级电容器储能单元的端电压变化范围较宽，为了满足负载需求和提高超级电容器储存能量的利用率，超级电容器储能单元通常配置功率变换器。超级电容器储能系统在工作过程中存在能量存储和释放两个过程，因此系统配置的功率变换器需采用能够实现功率双向流动的双向DC/DC变换器。双向DC/DC变换器主要实现超级电容器充放电控制、功率调节和控制等功能，以功率双向流动的形式来满足负载需求和提高储能利用率。
双向DC/DC变换器是超级电容器储能系统中功率转换的核心部分。双向DC/DC变换器拓扑结构的不同将直接影响超级电容器储能系统能量转换效率，功率变换器合理的拓扑结构和良好的电路性能，有利于储能系统提高储能转换效率，减小系统体积、重量，降低系统成本，从而更好地实现能源的高效综合利用，能源结构的优化和能源安全供应的保障。
发明内容
本发明根据超级电容器储能系统在实际应用过程中具体技术需求，从适应储能系统的技术特点，提高系统能量利用率、降低系统重量，减少系统体积以及降低经济成本的角度出发，设计了一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑。
为实现上述目的，本发明的一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，由双向Buck/BoostDC/DC变换器和双向全桥LLC谐振DC/DC变换器串联组成级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器。通过级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器实现超级电容器储能系统在能量存储、释放过程中的功率双向流动，实现系统功率和电压的稳定调节，有效提高了超级电容器储能系统的储能效率和系统可靠性，其特征为：该拓扑包括超级电容器储能单元、双向Buck/BoostDC/DC变换器、由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器、直流母线电压端口、电压检测、电流检测及中央处理单元；其中，超级电容器储能单元输出端口IO1与双向Buck/BoostDC/DC变换器左端口IO2相连；双向Buck/BoostDC/DC变换器右端口IO3连接开关网络/整流网络左端口IO4，开关网络/整流网络右端口IO5连接LLC谐振网络的左端口IO6，LLC谐振网络右端口IO7连接整流网络/开关网络的左端口IO8，整流网络/开关网络的右端口IO9连接直流母线电压左端口IO10；直流母线电压右端口IO11外接应用系统；电压检测、电流检测分别从双向Buck/BoostDC/DC变换器和由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器接入，反馈送至中央处理单元，提供的信号均用于实时控制。
基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器中超级电容器储能单元的作用是在功率双向流动过程中完成超级电容器的充放电，以实现电能的存储和释放；级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器中的双向Buck/BoostDC/DC变换器主要实现储能单元端口电压的宽范围的精确调节；级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器中的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器实现整个功率变换器在双向Buck/BoostDC/DC变换器的电压调节下能够工作在效率最优状态。同时中央处理单元还将通过实时检测的电压电流信号实现对级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器进行实时控制。
本发明的特点是：在超级电容器储能系统中借鉴开关电源技术的最新成果以及双向DC/DC变换器现在的拓扑结构，将双向Buck/BoostDC/DC变换器和双向全桥LLC谐振DC/DC变换器进行了有效级联，构成级联双向Buck/Boost-LLCDC/DC变换器作为储能系统的双向DC/DC变换器，以满足输出电压的精确调节以及超级电容器组充放电后端电压宽范围变化的要求，同时追求系统的高效率和高功率密度。这种方案实施的优点在于：该变换器的非隔离级选择了Buck/BoostDC/DC变换器，而隔离级选择了双向全桥LLC谐振DC/DC变换器，其中非隔离级变换器工作效率较高、开关器件少，在整个系统工作过程中主要进行电压调节，隔离级变换器在前级变换器的电压调节下能够工作在效率最优状态。系统功率变换器在全负载范围内实现软开关，大大降低电路开关损耗，提高变换器的工作效率和功率密度，并且变换器拓扑结构简单，便于控制实施。
附图说明
图1为本发明所述的基于超级电容器组储能系统的双向DC/DC变换器拓扑结构图。
图2为本发明所述的双向Buck/BoostDC/DC变换器工作在Boost模式下电路拓扑图。
图3为本发明所述的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器正向工作时电路拓扑结构图。
图4为本发明所述的双向Buck/BoostDC/DC变换器工作在Buck模式下电路拓扑图。
图5为本发明所述的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器反向工作时电路拓扑结构图。
具体标号如下：
1.超级电容器储能单元
2.双向Buck/BoostDC/DC变换器
3.开关网络/整流网络
4.LLC谐振网络
5.整流网络/开关网络
6.直流母线电压端口
Csc：超级电容器组；S1，S2，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8：十个IGBT器件；Cr1，Cr2：谐振电容；L：储能电感；Lr：谐振电感；Lm：励磁电感。
具体实施方式
本发明的基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，主要应用于超级电容器储能系统中功率双向流动时功率输出和电压稳定调节，根据附图叙述本发明的具体实施方式。
实例一：
如图1所示，本发明的硬件电路具体实施方式如下：
本发明的一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，较佳实施方案包括超级电容器储能单元、双向Buck/BoostDC/DC变换器、由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器、直流母线电压端口、应用系统、电压检测、电流检测及中央处理单元；其中，超级电容器储能单元输出端口IO1与双向Buck/BoostDC/DC变换器左端口IO2相连；双向Buck/BoostDC/DC变换器右端口IO3连接开关网络/整流网络左端口IO4，开关网络/整流网络右端口IO5连接LLC谐振网络的左端口IO6，LLC谐振网络右端口IO7连接整流网络/开关网络的左端口IO8，整流网络/开关网络的右端口IO9连接直流母线电压端口左端口IO10；直流母线电压端口右端口IO11外接应用系统；电压检测、电流检测分别从双向Buck/BoostDC/DC变换器和由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器接入，反馈送至中央处理单元，提供的信号均用于实时控制。
实例二：
如图2、图3所示，本发明在功率正向流动条件下的具体实施方式如下：
本发明的较佳实施方式中，发明的双向DC/DC变换器中超级电容器储能单元中作用是超级电容器放电，为双向Buck/BoostDC/DC变换器提供功率为10KW，电压变化范围为200～400V的不稳定直流电源，电源经过Boost升压工作模式下的双向Buck/BoostDC/DC变换器，获得功率为10KW，电压为800V的稳定直流电压源，之后，稳定直流电压源流入由开关网络/整流网络、LLC谐振网络和整流网络/开关网络构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器后，经过变换器电压调节后，获得功率为10KW，电压为1000V的稳定直流电源流出，为直流母线电压端口提供恒定直流电压；
结合图1、图2和图3对具体实施方式进行说明：
如图1所示，超级电容器储能单元(1)中超级电容器放电，提供功率额定的不稳定直流电压源V1输入到双向Buck/BoostDC/DC变换器(2)中，变换器(2)工作在Boost升压模式下，得到功率额定的稳定输出电压源Vdc；恒值电压源Vdc流经由开关网络/整流网络(3)、LLC谐振网络(4)以及整流网络/开关网络(5)所构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器后实现电压进一步调节，获得功率额定的稳定输出电压源V2；最后电压源V2经由直流母线电压端口(6)外接应用系统；整个变换器的具体功率流向分别如图2和图3所示。双向全桥LLC谐振DC/DC变换器在电压调节过程中完成电源的DC-AC以及AC-DC的转换。电压、电流检测的作用是对级联双向Buck/Boost-LLCDC/DC变换器中两级变换器的电压、电流进行实时检测，为中央处理单元提供实时信号；通过中央处理单元产生PWM波形，用来控制功率变换器中IGBT的开关，以达到调节电压的目的。
实例三：
如图4、图5所示，本发明在功率反向流动条件下的具体实施方式如下：
本发明的较佳实施方式中，发明的双向DC/DC变换器中直流母线电压端口从外接应用系统获得功率为10KW，电压为1000V的稳定直流电压源，流入由开关网络/整流网络、LLC谐振网络和整流网络/开关网络构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器，经过电压调节后获得功率为10KW，电压为800V的稳定直流电压源，之后该电压源流入Buck降压工作模式下的双向Buck/BoostDC/DC变换器，对超级电容器储能单元中超级电容器充电，直到超级电容器储能单元端电压达到额定值400V为止，充电完成。
结合图1、图4和图5对具体实施方式进行说明：
如图1所示，由外接应用系统接入直流母线电压端口(6)的额定功率的直流稳压源V2，流经由整流网络/开关网络(5)、LLC谐振网络(4)以及开关网络/整流网络(3)所构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器后实现电压调节，获得额定功率的直流稳压源Vdc，接入工作在Buck降压模式下的双向Buck/BoostDC/DC变换器(2)中，给超级电容器储能单元(1)中超级电容器充电，直到超级电容器储能单元端电压达到额定值为止，充电完成。整个双向DC/DC变换器的具体功率流向分别如图4和图5所示。双向全桥LLC谐振DC/DC变换器在电压调节过程中完成电源的DC-AC以及AC-DC的转换。此时整个双向DC/DC变换器在具体实施的过程中电压、电流的控制和上述实例二中电压、电流的控制工作原理相同。
Claims (4)
1.一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑，所述的双向DC/DC变换器拓扑是基于超级电容器储能系统进行设计的，通过级联双向Buck/Boos-LLCDC/DC变换器实现超级电容器储能系统在能量存储、释放过程中的正向流动和反向流动，实现系统功率输出和电压的稳定调节，其特征为：
该拓扑包括超级电容器储能单元、双向Buck/BoostDC/DC变换器、由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器，直流母线电压端口、应用系统、电压检测、电流检测及中央处理单元；其中，超级电容器储能单元输出端口IO1与双向Buck/BoostDC/DC变换器左端口IO2相连；双向Buck/BoostDC/DC变换器右端口IO3连接开关网络/整流网络左端口IO4，开关网络/整流网络右端口IO5连接LLC谐振网络的左端口IO6，LLC谐振网络右端口IO7连接整流网络/开关网络的左端口IO8，整流网络/开关网络的右端口IO9连接直流母线电压端口左端口IO10；直流母线电压端口右端口IO11外接应用系统；对双向Buck/BoostDC/DC变换器和由开关网络/整流网络、LLC谐振网络以及整流网络/开关网络组成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器进行电压检测、电流检测，获得的电压信号、电流信号反馈送至中央处理单元，提供的信号均用于实时控制。
2.权利要求1所述的一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑工作在功率正向流动情况下，超级电容器储能单元中超级电容器放电，为双向Buck/BoostDC/DC变换器提供功率为10KW，电压变化范围为200～400V的不稳定直流电源，电源经过Boost升压工作模式下的双向Buck/BoostDC/DC变换器，获得功率为10KW，电压为800V的稳定直流电压源，之后，稳定直流电压源流入由开关网络/整流网络、LLC谐振网络和整流网络/开关网络构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器后，经过变换器电压调节后，获得功率为10KW，电压为1000V的稳定直流电源流出，为直流母线电压端口提供恒定直流电压。
3.权利要求1所述的一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑工作在功率反向流动情况下，直流母线电压端口从外接系统获得功率为10KW，电压为1000V的稳定直流电压源，流入由开关网络/整流网络、LLC谐振网络和整流网络/开关网络构成的双向全桥LLC谐振DC/DC变换器，经过电压调节后获得功率为10KW，电压为800V的稳定直流电压源，之后该电压源流入Buck降压工作模式下的双向Buck/BoostDC/DC变换器，对超级电容器储能单元中超级电容器充电，直到超级电容器储能单元端电压达到额定值400V为止，充电完成。
4.权利要求1所述的一种基于超级电容器储能系统的双向DC/DC变换器拓扑的电压检测、电流检测分别连接双向Buck/BoostDC/DC变换器和双向全桥LLC谐振DC/DC变换器，对电压、电流进行实时监测，并反馈至中央处理单元，实现对功率变换器中开关管的PWM控制。
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