高增益差分直流电能路由器及其控制方法与流程

本发明涉及一种电子电路技术，特别涉及一种高增益差分直流电能路由器及其控制方法。

背景技术：

1、分布式综合能源系统(dies)可以通过特定的拓扑网络和终端电力设备，为发电、储能和用电提供有效可靠的接口。随着全球能源互联网系统概念的提出，各种类型、形式和规模的dies正在迅速发展。由于太阳能和风能等可再生能源的使用，电网受到潮流变化、电压、频率波动的影响，因此具有潮流管理和电能质量控制功能的直流型能量路由器(dc-er)正成为现代dies的关键设备。现有的直流型能量路由器以增加变换器级数的方式增加功率端口，随着分布式电源设备的不断增多，直流型能量路由器的硬件成本将显著增加，即现有dc-er的经济性较差。不仅如此，现有直流型能量路由器也因功率变换级增多而导致整体运行效率低。

技术实现思路

1、针对直流型能量路由器经济性差、运行效率低问题，提出了一种高增益差分直流电能路由器及其控制方法。

2、本发明的技术方案为：一种高增益差分直流电能路由器，包括3个谐振变换器、光伏模块、负载、直流电网；第一谐振变换器和第三谐振变换器通过差分连接形成负载供电端口，第二谐振变换器输出端接电池，第三谐振变换器输出端接直流电网；第一谐振变换器和第三谐振变换器由单向dc-dc变换电路构成，第二谐振变换器由双向dc-dc变换电路构成，集成了电池储能、光伏发电、直流电能输出、直流并网等功能。

3、优选的，所述第一谐振变换器包括输入侧电容cin1、谐振电感lr1、串联谐振电容cr1、并联谐振电容cp1、开关管q1_1～q1_4、二极管d1_1～d1_4、输出电容co1、变压器tr1、抗环流二极管d1_5；其中，光伏模块输出直流电经过并联输入侧电容cin1接由开关管q1_1～q1_4构成高频逆变电路，将输入直流电压转换为高频交流电压，高频逆变电路输出再经过谐振电感lr1、串联谐振电容cr1和并联谐振电容cp1构成的谐振腔连接到变压器tr1原边，变压器tr1副边接由二极管d1_1～d1_4所构成的整流桥的交流侧，谐振腔用于实现软开关，二极管d1_1～d1_4所构成的整流桥将高频交流电压整流成直流输出电压，直流输出并联输出电容co1；抗环流二极管d1_5正极接直流输出电压负端，抗环流二极管d1_5连接直流输入电压负端和直流输出电压负端之间，形成等电位点与阻碍环流。

4、优选的，所述第二谐振变换器包括输入侧电容cin2、谐振电感lr2、串联谐振电容cr2、并联谐振电感lm2、开关管q2_1～q2_4、开关管q2_5～q2_8、输出电容co2、变压器tr2；其中，光伏模块输出直流电经过并联输入侧电容cin2接由开关管q2_1～q2_4构成高频逆变电路，将输入直流电压转换为高频交流电压，高频逆变电路输出再经过谐振电感lr2—1、串联谐振电容cr2-1和并联谐振电感lm2构成的谐振腔连接到变压器tr2原边，变压器tr2副边通过谐振电感lr2-2、串联谐振电容cr2-2后接由开关管q2_5～q2_8所构成的整流桥的交流侧，谐振腔用于实现软开关，开关管q2_5～q2_8所构成的整流桥将高频交流电压整流成直流输出电压，直流输出并联输出电容co2。

5、优选的，所述第三谐振变换器包括输入侧电容cin3、谐振电感lr3、串联谐振电容cr3、并联谐振电容cp3、开关管q3_1～q3_4、二极管d3_1～d3_4、输出电容co3、变压器tr3、抗环流二极管d3_5；其中，光伏模块输出直流电经过并联输入侧电容cin3接由开关管q3_1～q3_4构成高频逆变电路，将输入直流电压转换为高频交流电压，高频逆变电路输出再经过谐振电感lr3、串联谐振电容cr3和并联谐振电容cp3构成的谐振腔连接到变压器tr3原边，变压器tr3副边接由二极管d3_1～d3_4所构成的整流桥的交流侧，谐振腔用于实现软开关，二极管d3_1～d3_4所构成的整流桥将高频交流电压整流成直流输出电压，直流输出并联输出电容co3；抗环流二极管d3_5正极接直流输入电压负端，抗环流二极管d1_5连接直流输入电压负端和直流输出电压负端之间，形成等电位点与阻碍环流。

6、一种高增益差分直流电能路由器控制方法，所述控制器实时采集直流电网侧电压vdc、直流电网侧输入输出电流ig、光伏模块输入电流ipv、负载端电压vo以及3个谐振变换器输入侧电感电流，控制器依据光伏发电功率ppv、蓄电池功率pb、直流负载功率pl、直流电网功率pg等参数状态分为四个功率控制模式，进行能源分配流向控制。

7、进一步，所述四个功率控制模式中功率关系如下：

8、光伏发电功率ppv控制模式中，功率关系满足公式：

9、pl<ppvmax-pchref-pgmax，其中ppvmax是光伏模块的最大输出功率，pchref是蓄电池充电功率的参考值，pgmax是可以反馈到直流电网的最大功率；

10、蓄电池功率pb控制模式中，功率关系满足公式：

11、其中pgdmax是蓄电池可以从直流电网吸收的最大功率；

12、直流负载功率pl控制模式中，功率关系满足公式：

13、(ppvmax<pl)&&[(ppvmax+pgdmax)>pl]；

14、直流电网功率pg控制模式中，功率关系满足公式：

15、pl>ppvmax+pgdmax。

16、进一步，所述在光伏发电功率ppv控制模式中，光伏电流参考值ipvref的计算方法如下：

17、如果蓄电池功率pb小于蓄电池充电功率的参考值pchref，则逻辑变量逻辑等于0，此时δimpp＝0，并启用最大功率点跟踪mppt计算ipvref；

18、如果pb≥pchref，则逻辑变量逻辑等于1，并关闭最大功率点跟踪mppt，蓄电池功率pb和蓄电池充电功率的参考值pchref差值送入pi控制器，pi控制器输出δimpp，用于调节最大功率点电流参考值，impp是光伏模块关闭最大功率点跟踪前寄存的参考电流值，ipvref的计算公式如下：

19、ipvref＝impp-δimpp。

20、进一步，所述控制器采用pi控制器，pi控制器调节直流电网功率参考值pgref和直流电网功率实际测量值pg之间的误差，pi控制器的输出直流电网电流增量δigref，常量电流值i减去电网电流增量值δigref作为直流电网参考值igref；常量电流值i大小为直流电网功率值大小为pgmax时对应的电流值。

21、进一步，所述直流电网侧电压vdc作为负反馈与直流电网电压参考值vdcref叠加送入第三pi控制器gv3(s)，将第三pi环节输出的值作为第三个谐振变换器的占空比d3；

22、将采样得到的ipv作为负反馈值与ipvref叠加送入pi控制器gi2(s)，将第二pi控制器输出值作为第二个谐振变换器的占空比d2；

23、将采样得到的vo作为负反馈与负载端电压参考值voref叠加送入第一pi控制器gv1(s)，将第一pi控制器输出值作为第一个谐振变换器的占空比d1。

24、本发明的有益效果在于：本发明高增益差分直流电能路由器及其控制方法，将电池储能(es)、光伏(pv)发电、局部负载和直流电网相结合，实现了工作模式的灵活转换；通过es与pv功率端口之间的差分耦合，使电路获得了更高的电压电源增益和直接的输入输出功率传输，同时减小输入电流纹波、降低开关应力，从而提高了能量转换效率。