CN102324841B

CN102324841B - 一种多输入高增益升压变换器

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Publication number: CN102324841B
Application number: CN 201110285946
Authority: CN
Inventors: 罗全明; 邾玢鑫; 卢伟国; 周雒维
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2011-09-23
Filing date: 2011-09-23
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2031-09-23
Also published as: CN102324841A

Abstract

一种多输入高增益升压变换器，它具有多个输入端，可以连接多个光伏电池模块，每一路光伏电池模块的输入电流均可控，这样不仅可以满足不同模块分别均工作于最大功率输出，并且节约了大量的元器件，降低了成本。该变换器允许多个光伏电池模块向其供电，且可以通过控制，使得每一路光伏电池均可以独立的工作于自身的最佳工作状态。每一个变换器根据应用场合不同，可以设计出不同的数量的输入端口，且每一路输入的电流和输出电压均可控。与现有的高增益升压变换器相比，本发明电路拓扑简单，不存在耦合电感（EMI小），并且降低了开关器件电压应力，这样变换器整体工作效率得到了提高。

Description

一种多输入高增益升压变换器

技术领域

本发明涉及一种直流-直流变换器，具体设计一种光伏发电并网系统中应用的具有多输入和高升压能力的变换器。

背景技术

光伏发电系统通常由多个光伏电池模块组成，为了提高太阳能发电电池的工作效率，一般要求这些光伏电池模块都要尽可能的工作于最大功率输出状态。通常这就需要多个直流-直流变换器；每个变换器工作于光伏电池模块和并网逆变器所需的直流母线之间。同时，光伏电池模块是由数个小的光伏电池串并联组成，而受限于各个电池之间的相互影响，光伏电池不能串并联过多，这样就间接导致了光伏电池模块的端电压相对较低。而并网逆变器所需的直流母线电压又相对较高。所以研究实现具有多路输入能力的高增益升压直流-直流变换器对光伏并网发电系统的发展具有重要意义。

传统BOOST变换器在高升压的工作场合已经不能胜任，并且其开关电压应力也较高。实现变换器高增益升压的方法通常有三种。第一种借助于变压器，在原有的直流-直流变换器中间加入一个高频的变压器，通过改变变压器变比实现高增益升压的目的。但此时，电能的转化过程实际上由原来的直流-直流，变为直流-交流-交流-直流，整个系统的能量转换效率降低了。第二种是利用开关电容的方法实现高增益升压，但此种方案所需器件过多，因而也不常用。第三种是利用耦合电感来实现高增益升压，但耦合电感的使用，同样会引起开关器件电压应力过高，并且会带来电磁干扰等影响，导致变换器工作损耗较大。

现有的多输入变换器通常是在原有基本变换器的基础上，基于网络端口进行改进。虽然具有多输入能力，但难以实现高增益。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是要解决现在光伏发电并网系统中，光伏电池模块后级变换器结构复杂，且个数多（每个电池模块后都需要一个变换器），导致成本高、工作效率低等问题；而提供一种不仅具有高增益升压能力、开关器件电压应力低，同时还具备多路输入能力的直流-直流变换器。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种具有多路输入能力的高增益升压变换器，其特征在于，

所述多路输入高增益升压变换器中包含n个功率开关S1、S2、S3…Sn，n个二极管D1、D2、D3…Dn，n个电感L1、L2、L3…Ln，n-1个电容C1、C2…Cn-1；其中，

第一电感L1的输入端接第一个光伏电池模块的正极，输出端接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极接变换器输出端的正极；在第一电感L1和第一电容C1的结点和变换器的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接变换器的负极，第一功率开关S1漏极与所述结点相连；

第二电感L2的输入端接第二个光伏电池模块的正极，输出端接第二电容C2的一端，第二电容C2的另一端接第二二极管D2的阳极；在第一电容C1和第一二极管D1的结点接第二二极管D2的阴极；在第二电感L2和第二电容C2的结点和变换器的负极之间接第二功率开关S2，第二功率开关S2源极接变换器的负极，第二功率开关S2漏极与所述结点相连；

以此类推，一直到第n-1电感Ln-1的输入端接第n-1个光伏电池模块的正极，输出端接第n-1电容Cn-1的一端，第n-1电容Cn-1的另一端接第n-1二极管Dn-1的阳极；在第n-2电容C1和第n-2二极管D1的结点接第n-1二极管Dn-1的阴极；在第n-1电感Ln-1和第n-1电容Cn-1的结点和变换器的负极之间接第n-1功率开关Sn-1，第n-1功率开关Sn-1源极接变换器的负极，第n-1功率开关Sn-1漏极与所述结点相连；

第n电感Ln的输入端接第n个光伏电池模块的正极，输出端接第n二极管Dn的阳极；在第n-1电容Cn-1和第n-1二极管Dn-1的结点接第n二极管Dn的阴极；在第n电感Ln和第n二极管Dn的结点和变换器的负极之间接第n功率开关Sn，第n功率开关Sn源极接变换器的负极，第n功率开关Sn漏极与所述结点相连；

各功率开关的栅极分别接各自的控制器。各个功率开关的输入端所接光伏电池的阳极是经滤波后得到的直流电。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、该变换器允许多个光伏电池模块向其供电，且可以通过控制，使得每一路光伏电池均可以独立的工作于自身的最佳工作状态（等效于每一个电池模块后接一个独立的变换器）。该变换器同时还具有高增益升压能力，可以完成光伏电池到并网逆变器所需直流母线之间的直流-直流高增益升压任务。

2、每一个变换器根据应用场合不同，可以设计出不同的数量的输入端口，且每一路输入的电流和输出电压均可控。与传统的多个变换器接入相比，成本得到了较大的降低。

3、与现有的高增益升压变换器相比，本发明电路拓扑简单，不存在耦合电感（EMI小），并且降低了开关器件电压应力，这样变换器整体工作效率得到了提高。

附图说明

图1是本发明实施方式的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

实施例1：如图1所示，一种具有多路输入和高增益升压能力的光伏电池升压变换器，由光伏电池模块和DC/DC升压电路组成；所述的高增益升压电路由具有高升压比的3路输入电流均可控的变换器构成；该变换器3个输入端分别连接经过滤波电路的光伏电池模块，输出电压可控的高压直流电。每一路的输入电流均可控；所述多路输入高增益升压电路中包含3个功率开关S1、S2、S3，3个二极管D1、D2、D3，3个电感L1、L2、L3，2个电容C1、C2；第一电感L1的输入端接第一个光伏电池模块的正极，输出端接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端接第一二极管D1的阳极，第一二极管D1的阴极接变换器输出端的正极；在第一电感L1和第一电容C1的结点和变换器的负极之间接第一功率开关S1，第一功率开关S1源极接变换器的负极，第一功率开关S1漏极与所述结点相连；

第三电感L3的输入端接第三个光伏电池模块的正极，输出端接第三二极管D3的阳极；在第二电容C2和第二二极管D2的结点接第三二极管D3的阴极；在第三电感L3和第三二极管D3的结点和变换器的负极之间接第三功率开关S3，第三功率开关S3源极接变换器的负极，第三功率开关S3漏极与所述结点相连。

根据功率开关状态的不同，可以将电路分为4种工作状态：

（1）控制器控制第一功率开关S1关断，第二功率开关S2和第三功率开关S3导通，此时光伏电池模块一经过滤波电路，通过第一电感L1、第一电容C1和第一二极管D1向高压直流母线供电；此时第二功率开关S2和第三功率开关S3均都开通，光伏电池模块二和光伏电池模块三经过各自的滤波电路，通过第二功率开关S2和第三功率开关S3分别向第二电感L2和第三电感L3充电；第二二极管D2和第三二极管D3均关断。

（2）控制器控制第二功率开关S2关断，第一功率开关S1和第三功率开关S3导通，此时光伏电池模块二经过滤波电路，通过第二电感L2、第二电容C2和第二二极管D2向第一电容C1冲电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均都开通，光伏电池模块一和光伏电池模块三经过各自的滤波电路，通过第一功率开关S1和第三功率开关S3分别向第一电感L1和第三电感L3充电；第一二极管D1和第三二极管D3均关断。

（3）控制器控制第三功率开关S3关断，第一功率开关S1和第二功率开关S2导通，此时光伏电池模块三经过滤波电路，通过第三电感L3和第三二极管D3向第二电容C2冲电；此时第一功率开关S1和第二功率开关S2均都开通，光伏电池模块一和光伏电池模块二经过各自的滤波电路，通过第一功率开关S1和第二功率开关S2分别向第一电感L1和第二电感L2充电；第一二极管D1和第二二极管D2均关断。

（4）功率开关均导通，此时光伏电池模块一、光伏电池模块二以及光伏电池模块三均经过各自的滤波电路，通过第一功率开关S1、第二功率开关S2和第三功率开关S3分别向第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3充电；第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3均关断。

在本发明的具体实施方式中，功率开关根据系统中第三部分并网逆变器所需直流母线电压的不同，而选择不同电压应力的开关器件，以并网逆变器采用全桥逆变器为例，功率开关管选择，二极管选择MUR8100。

本发明使用的功率开关为开关器件，功率开关的开启与关闭受到控制器的控制，上述的三路输入高增益升压电路，由控制器控制三相功率开关的占空比每相之间相位相差120°。其各相占空比大小根据三个光伏电池模块的工作状态决定。通过占空比的调节，可以使得每一路光伏电池模块处于最佳工作状态，提高光伏发电系统的发电效率。

综上所述，该电路拓扑结构简单，升压能力较强，适合应用于光伏发电并网系统中。

实施例2：如图1所示，其多路输入高增益升压电路的连接关系与实施例1相同，但在控制方式上有所改变；由控制器控制三相功率开关的占空比每相之间相位相差180°（第一相与第三相相同）。其各相占空比大小根据三个光伏电池模块的工作状态决定。

根据功率开关状态的不同，可以将电路分为4个工作状态（以第一相占空比大于第二相占空比大于第三相占空比为例）：

（1）控制器控制第二功率开关S2关断，第一功率开关S1和第三功率开关S3导通，此时光伏电池模块二经过滤波电路，通过第二电感L2、第二电容C2和第二二极管D2向第一电容C1冲电；此时第一功率开关S1和第三功率开关S3均都开通，光伏电池模块一和光伏电池模块三经过各自的滤波电路，通过第一功率开关S1和第三功率开关S3分别向第一电感L1和第三电感L3充电；第一二极管D1和第三二极管D3均关断。

（2）功率开关均导通，此时光伏电池模块一、光伏电池模块二以及光伏电池模块三均经过各自的滤波电路，通过第一功率开关S1、第二功率开关S2和第三功率开关S3分别向第一电感L1、第二电感L2和第三电感L3充电；第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3均关断。

（4）控制器控制第一功率开关S1和第三功率开关S3关断，第二功率开关S2导通，此时光伏电池模块一和光伏电池模块三经过各自的滤波电路，通过第一电感L1、第一电容C1、第一二极管D1和第三电感L3和第三二极管D3分别向负载以及第二电容C2供电；光伏电池模块二均经过滤波电路，通过第二功率开关S2向第二电感充电。

实施例1和实施例2仅仅是为了工作原理阐述简单而采用了三路输入的电路，在实际的应用中，能够根据实际光伏系统中所含光伏模块的数目而增加输入路数，只需要通过控制器改变三相功率开关的占空比和每相之间相位相差即可。

本发明中，光伏发电并网发电系统包括三个部分，第一部分为光伏电池模块及其输出端的滤波电路；第二部分为直流-直流升压环节，该环节为第三部分并网逆变器提供合适的电压母线；第三部分为逆变器环节。本发明的改进环节在于第二部分的直流-直流升压环节。该环节由具有多路输入和高增益升压能力的新型变换器构成。该变换器具有多个输入端（以3路输入为例说明），可以连接多个光伏电池模块，每一路光伏电池模块的输入电流均可控，这样不仅可以满足不同模块分别均工作于最大功率输出，并且节约了大量的元器件，降低了成本。该变换器输出恒定的直流电。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种多输入高增益升压变换器，其特征在于，包含n个功率开关S1、S2、S3…Sn，n个二极管D1、D2、D3…Dn，n个电感L1、L2、L3…Ln，n-1个电容C1、C2…Cn-1；其中，

以此类推，一直到，第n-1电感Ln-1的输入端接第n-1个光伏电池模块的正极，输出端接第n-1电容Cn-1的一端，第n-1电容Cn-1的另一端接第n-1二极管Dn-1的阳极；在第n-2电容C1和第n-2二极管D1的结点接第n-1二极管Dn-1的阴极；在第n-1电感Ln-1和第n-1电容Cn-1的结点和变换器的负极之间接第n-1功率开关Sn-1，第n-1功率开关Sn-1源极接变换器的负极，第n-1功率开关Sn-1漏极与所述结点相连；

各功率开关的栅极分别接各自的控制器；各个功率开关的输入端所接光伏电池的阳极是经滤波后得到的直流电；

能根据实际光伏系统中所含光伏模块的数目而增加本发明的输入路数，并只需要通过控制器改变各相功率开关的占空比和每相功率开关之间相位差即可；

每相功率开关之间相位差可采用以下控制方式：控制方式（1）：各相功率开关可采用交错控制策略，即每相开关驱动相位之间相差360^o/n；控制方式（2）：相邻功率开关之间采用交错控制策略；即每相邻两相之间开关驱动相位相差180^o。