[发明专利]一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向升-降压型DC-DC变流器

说明书

本发明公开了一种具有抑制直流电压不平衡功能的双极性双向升‑降压型DC‑DC变流器，属于电力电子领域。所述双极性双向升‑降压型DC‑DC变流器主要包括：第一变流电路、第二变流电路、检测电路和控制电路；控制电路根据检测电路检测到的第一至第四直流电压、两个直流电感中的电流发送开关控制信号控制第一变流电路和第二变流电路的工作状态。本发明采用双输入双输出双极性结构，对功率具有双向调节的功能，尤其是将第一变流电路中的第一电感和第二变流电路中的第二电感进行耦合，为第一变流电路和第二变流电路之间的能量交换提供通道，具有抑制直流电压不平衡功能，该电路适用于直流微电网和储能等领域中。

技术领域

本发明涉及一种双极性双向DC-DC变流器，特别涉及一种具有抑制直流电压不平衡功能的四端口升-降压型DC-DC变流器。

背景技术

近年来，随着直流负载的增多和电力电子技术的成熟，直流微电网以及利用直流微电网的低压直流(low voltage direct current，LVDC) 供电方式得到了越来越多的关注。相比交流系统保护已经建立了完善的理论体系与技术规范，直流微电网保护当前还缺乏相关的技术标准规范、执行准则和实际操作经验。

直流系统接地型式对系统电气安全的重要指标——电击防护性能具有决定作用。目前，直流微电网一般采用双线制传输电能，不存在电压为0V的中线。为了提高系统的安全性，必须要在直流微电网接入末端系统的前端构造中线，形成直流双极性三线制供电方式。与两线制直流供电结构相比，双极性三线制直流供电结构除了可以提供系统安全地线外，还可以降低母线对地电压等级，提高直流系统供电灵活性和可靠性，同时可以适应不同电压等级分布式电源、储能系统及负荷的接入。所以，双极性三线制直流供电结构具有很大的发展前景。

和单极性直流微电网相比，双极性直流微电网除了正(﹢)、零(N) 两条直流母线外，还有一条负(﹣)直流母线，其三线制供电结构给双向直流变换器提出了新的要求：

1)在结构上，与双极性直流微电网相连的一侧要能够提供两个电压输出端；

2)在功能上，一方面要能够维持母线电压稳定，另一方面要能够保持母线间电压均衡。

根据中性线的出线方式不同，双向直流变换器与双极性直流微电网相连的结构可以分为三类。图1所示为基于两个双向直流变换器并联的结构，要求两个变换器的输出共用中间母线，在直流系统内部本质上是两个独立供电回路，可靠性较高，但需要两套功率变换装置，且受储能单元间的差异性影响，其抑制母线电压不均衡的能力有限，适合选用器件数量较少的双向直流变换器，否则成本太高。

图2所示为基于分裂母线电容的结构，在功率变换器与直流微电网连接的一侧，从直流母线电容中点引出中线构成三线制，采用不同的控制策略或者利用耦合电感实现母线间的电压均衡。然而，该结构对于常规两电平的双向直流变换器而言，无法实现直流正负极母线电压对称，只适合选用带中点电位平衡功能的双向直流变换器，比如三电平双向Buck/Boost直流变换器，所以在要求维持高效率的前提下，其适用场景具有一定的局限性。

图3所示为基于电压平衡器的结构，该结构中电压平衡器可以方便地并入双向直流变换器的输出端口，直流母线电压控制(如并网时由 AC-DC控制，独立运行时由储能DC-DC来控制)和正/负极电压平衡控制(由电压平衡器来控制)两者完全解耦，可以选用的双向直流变换器种类较多。但是额外增加电压平衡器，使得系统结构和控制变得更加复杂，同时备料成本也随之增加。

比较双向直流变换器与双极性直流微电网相连的三类结构可以发现，如果采用基于分裂母线电容的结构，因为只适合选用带中点电位平衡功能的双向直流变换器，所以在要求维持高效率的前提下，其适用场景具有一定的局限性；如果采用基于电压平衡器的结构，虽然双向直流变换器的选择范围扩大了很多，但是额外增加的电压平衡器提高了系统的成本和复杂性。所以，从成本、效率和适用性角度考虑，为基于两个变换器并联结构开发一种低成本、高效率、具有电压平衡功能的双向直流变换器，有待深入研究与探索。

发明内容