双向三端口非隔离直流变换器及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及电力电子领域，特别是双向非隔离直流-直流电能变换技术领域。
【背景技术】
[0002]双向直流变换器可以实现多个储能装置、储能装置与直流母线或者多个直流母线之间的双向能量传输，被广泛应用于可再生能源发电系统、不间断电源供电系统、电动汽车、混合储能以及直流微网等系统中。随着储能系统、直流微网等供电系统等相关技术的不断进步和发展，对连接直流母线和储能装置的双向直流变换器不断提出新的挑战，主要表现为两个方面:(I)系统中通常需要连接多个电压等级不同的储能装置或者多条直流母线；(2)储能装置的电压较低而直流母线的电压较高，储能装置和直流母线电压的悬殊差异为双向直流变换器的实现带来了极大困难。
[0003]为了连接多个储能装置或者直流母线，传统的解决方案通常采用多个两端口双向直流变换器。这种方案一方面会增加系统的成本、体积和重量，另一方面还由于系统中存在多级功率变换而导致效率降低。若能够将多个两端口双向直流变换器通过器件复用的方式进行相互集成，则能够在很大程度上解决上述问题。基于该思路，国内外研究机构提出了多种可行的方案，其中代表性的如文献“S.Falcones, R.Ayyanar, X.Mao, "A DC-DCmultiport-converter-based solid-state transformer integrating distributedgenerat1n and storage, ^IEEE Transact1ns on Power Electronics, vol.28, n0.5, pp.2192-2203, May2013.”中所提出的基于多绕组变压器的双向直流变换器解决方案。然而，该类型的解决方案需要采用较大的变压器、且需要使用大量的开关管，不仅成本高，而且结构复杂、驱动控制等实现较困难。此外，对于储能及直流微网等系统而言，隔离通常并不是必须要求的，因此可以优先考虑采用成本低、结构简单的非隔离双向直流变换器。
[0004]对于传统的非隔离双向直流变换器而言，其应用于包含高压直流母线和低压储能系统时主要面临两个问题:(I)由于传统非隔离双向变换器不能实现软开关，开关管体二极管的反向恢复不仅造成非常大的开关损耗、降低变流器的效率，而且会在开关管上引起严重的电压尖峰，导致开关管失效，降低变流器的可靠性；(2)为了满足储能装置和直流母线之间升/降压比的要求，其开关管的占空比不得不工作于接近于I或O的极限状态，这会造成开关管电压、电流应力急剧增加，从而造成效率的大幅降低。为了解决上述问题，国内外研究机构和工业界也提出了很多改进方案。例如，文献“M.Kwon, S.0h, andS.Choi, ,,High gain soft-switching bidirect1nal DC-DC converter for eco-friendlyvehicles,〃IEEE Transact1ns on Power Electronics, vol.29，n0.4，pp.1659-1666，APr.2014.”提出在传统双向非隔离直流变换器基础上嵌入谐振升压单元，不仅提高了升/降压比，而且实现了所有开关管的软开关。该方案在一定程度上解决了传统非隔离双向直流变换器所面临的问题，但其升/降压比的提升能力十分有限，而且其只能提供两个功率端口、不能同时实现多个储能装置或直流母线之间的能量传输。
【发明内容】
[0005]发明目的:为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种双向三端口非隔离直流变换器及其控制方法，用于解决双向直流变换器在连接多个储能装置和/或直流母线时存在的技术问题。
[0006]技术方案:为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]所述双向三端口非隔离直流变换器由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、耦合电感Lc、高频电感Lf、辅助电容Ca、低压侧电源\、中间侧电源Vm和高压侧电源Vh构成，其中耦合电感L ε包含第一绕组N:和第二绕组N 2。
[0008]上述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、耦合电感Lc、高频电感Lf、辅助电容CA、低压侧电源\、中间侧电源Vm和高压侧电源V H采用以下三种连接方式。
[0009]方式一:所述低压侧电源\的正极连接耦合电感L ^第一绕组N 4勺同名端，耦合电感1^第一绕组N i的非同名端连接第一开关管S i的漏极和第二开关管S 2的源极，第二开关管&的漏极连接第三开关管S 3的源极、高频电感L f的一端和中间侧电源V ^勺正极，中间侧电源Vm的负极连接第一开关管S i的源极、低压侧电源^的负极和高压侧电源V H的负极，高压侧电源Vh的正极连接第四开关管S 4的漏极，第四开关管S 4的源极连接第三开关管S 3的漏极和辅助电容匕的一端，辅助电容Ca的另一端连接耦合电感1^第二绕组化的非同名端，耦合电感1^第二绕组N 2的同名端连接高频电感L f的另一端。
[0010]方式二:所述低压侧电源\的正极连接耦合电感Lc第一绕组&的同名端，耦合电感Le第一绕组N1的非同名端连接第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极、第三开关管S3的源极和高频电感L f的一端，第二开关管S 2的漏极连接中间侧电源V M的正极，中间侧电源Vm的负极连接第一开关管S i的源极、低压侧电源^的负极和高压侧电源V H的负极，高压侧电源Vh的正极连接第四开关管S 4的漏极，第四开关管S 4的源极连接第三开关管S 3的漏极和辅助电容Ca的一端，辅助电容C A的另一端连接耦合电感L ^第二绕组N 2的非同名端，耦合电感1^第二绕组N 2的同名端连接高频电感L f的另一端。
[0011 ] 方式三:所述低压侧电源\的正极连接耦合电感L ^第一绕组N ^勺同名端，耦合电感1^第一绕组N i的非同名端连接第一开关管S i的漏极、第二开关管S 2的源极和高频电感Lf的一端，第二开关管S 2的漏极连接第三开关管S 3的源极和中间侧电源V ^勺正极，中间侧电源Vm的负极连接第一开关管S i的源极、低压侧电源^的负极和高压侧电源V H的负极，高压侧电源Vh的正极连接第四开关管S 4的漏极，第四开关管S 4的源极连接第三开关管S 3的漏极和辅助电容匕的一端，辅助电容Ca的另一端连接耦合电感1^第二绕组化的非同名端，耦合电感1^第二绕组N 2的同名端连接高频电感L f的另一端。
[0012]本发明所述双向三端口非隔离直流变换器的控制是通过以下方式实现的:
[0013]第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S 4的开关频率相同，并且在每个开关周期内第一开关管S1和第三开关管53的导通时间占空比相同、第二开关管S2和第四开关管&的导通时间占空比相同，第一开关管S1和第二开关管S2S补导通，第三开关管S3和第四开关管S 4互补导通；
[0014]通过调节第一开关管S1和第二开关管S2的导通时间占空比来控制低压侧电源Vl和中间侧电源Vm之间的电压平衡和能量传输:当需要增加中间侧电源Vm电压或者降低低压侧电源\电压或者增大由低压侧电源八向中间侧电源V M传输的功率或者减小中间侧电源Vm向低压侧电源I传输的功率时，可以通过增加第一开关管S1的导通时间占空比并减小第二开关管S2的导通时间占空比来实现；反之，当需要增加低压侧电源^电压或者降低中间侧电源Vm电压或者增大由中间侧电源V M向低压侧电源V 输的功率或者减小低压侧电源\向中间侧电源Vm传输的功率时，可以通过增加第二开关管S2的导通时间占空比并减小第一开关管S1的导通时间占空比来实现；
[0015]通过调节第一开关管S1和第三开关管S 3导通时刻之间的超前或滞后时间来控制高压侧电源Vh和中间侧电源V M以及低压侧电源V之间的电压平衡和能量传输:当需要高压侧电源Vh吸收功率时，可以通过设置第一开关管S 4勺导通时刻超前于第三开关管S 3的导通时刻来实现；反之，当需要高压侧电源Vh输出功率时，可以通过第一开关管导通时刻滞后于第三开关管S3的导通时刻来实现。
[0016]有益效果:
[0017](I)本发明能够同时提供三个双向功率端口，能够同时连接多个储能装置或直流母线之间的双向功率传输与控制，能够实现多个两端口双向变换器的功能，具有集成度高、功率密度高、成本低等优点；
[0018](2)本发明能够实现所有开关管的软开关，而且任意两个功率端口之间都能够实现单级功率变换，变换效率高；
[0019](3)本发明能