一种基于超级电容器储能系统的双向dc/dc变换器拓扑的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]超级电容器储能系统(SCESS-SuperCapacitor Energy Storage System)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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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/Boost DC/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-LLC DC/DC变换器。通过级联双向Buck/Boos-LLC DC/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/Boost DC/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 101与双向Buck/Boost DC/DC变换器左端口 102相连;双向Buck/Boost DC/DC变换器右端口 103连接开关网络/整流网络左端口 104，开关网络/整流网络右端口 105连接LLC谐振网络的左端口 106，LLC谐振网络右端口107连接整流网络/开关网络的左端口 108，整流网络/开关网络的右端口 109连接直流母线电压左端口 1010;直流母线电压右端口 1l I外接应用系统；电压检测、电流检测分别从双向Buck/Boost DC/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。
[0007]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-LLC DC/DC变换器中的双向Buck/Boost DC/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-LLC DC/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/Boost DC/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-LLC DC/DC变换器进行实时控制。
[0008]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/Boost DC/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-LLC DC/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/Boost DC/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】
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]具体标号如下:
[0015]1.超级电容器储能单元
[0016]2.双向Buck/Boost DC/DC变换器
[0017]3.开关网络/整流网络
[0018]4.LLC谐振网络
[0019]5.整流网络/开关网络
[0020]6.直流母线电压端口
[0021 ]Csc:超级电容器组;S1，S2，Q1，Q2，Q3，Q4，Q5，Q6，Q7，Q8:十个 IGBT 器件；Crl，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】
[0022]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】。
[0023]实例一:
[0024]如图1所示，本发明的硬件电路【具体实施方式】如下:
[0025]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/Boost DC/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 1l与双向Buck/Boost DC/DC变换器左端口 102相连;双向Buck/Boost DC/DC变换器右端口 103连接开关网络/整流网络左端口 104，开关网络/整流网络右端口 105连接LLC谐振网络的左端口106，LLC谐振网络右端口 107连接整流网络/开关网络的左端口 108，整流网络/开关网络的右端口 109连接直流母线电压端口左端口 1010;直流母线电压端口右端口 1011外接应用系统；电压检测、电流检测分别从双向Buck/Boost DC/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