CN102882370A

CN102882370A - 双向双输入buck直流变换器及其功率分配方法

Info

Publication number: CN102882370A
Application number: CN2012103368571A
Authority: CN
Inventors: 孙孝峰; 刘飞龙; 李伟松; 李昕
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2013-01-16

Abstract

本发明公开了一种双向双输入BUCK直流变换器及其功率分配方法，一种双向双输入BUCK直流变换器：它包括两个BUCK脉冲电压源和LC滤波器，其特征在于：每个脉冲电压源是由电源和半桥开关组组成，是在BUCK电路中用功率开关管代替续流二极管构成脉冲电压源，两个脉冲电压源相串联后，再经过LC滤波器给负载供电，电源正极接到半桥开关组的高端，电源负极接到半桥开关组的低端，并分别从半桥开关组中间和低端引出两个端子与其他电路连接，滤波器由电感L和电容C组成，连接方式为两个脉冲电压源串联，再经LC滤波器输出。本发明具有：重量轻、体积小、成本低、损耗小、电路的效率高、输出电压波形中的纹波小、不需要隔离变压器等特点。

Description

双向双输入BUCK直流变换器及其功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种双半桥开关组串联LC滤波器的拓扑结构，尤其是一种双向双输入BUCK直流变换器及其功率分配方法。

背景技术

随着环境保护问题的日益突出，人们越来越重视可再生能源的开发利用。可再生能源具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富等特点，因此可再生能源发电展现了良好的市场前景。目前，应用较多的可再生能源发电形式有光伏发电，燃料电池供电、风力发电、水利发电、地热发电等等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等特点，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电系统。

在传统的新能源联合供电系统中，每种能源形式通常需要一个DC/DC变换器，将各种能源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，但其结构较复杂，且成本较高。为了简化电路结构，降低系统成本，可以用一个多输入直流变换器（Multiple-Input Converter，MIC）代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入，输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，多输入源可以分别或同时向负载供电，因此提高了系统的稳定性和灵活性，实现能源的优化利用，并且降低系统成本。

发明内容

为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种拓扑结构和控制方法均较简单，且能实现能量的自动分配利用的拓扑结构。

为了实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种双向双输入BUCK直流变换器，包括两个BUCK脉冲电压源和LC滤波器，每个脉冲电压源是由电源和半桥开关组组成，是在BUCK电路中用功率开关管代替续流二极管构成脉冲电压源，两个脉冲电压源相串联后，再经过LC滤波器给负载供电，电源正极接到半桥开关组的高端，电源负极接到半桥开关组的低端，并分别从半桥开关组中间和低端引出两个端子与其他电路连接，滤波器由电感L和电容C组成，连接方式为两个脉冲电压源串联，再经LC滤波器输出。

以光伏电池（A源）和蓄电池（B源）作为两个输入电压源，根据电路中能量的传递，双向双输入BUCK直流变换器存在五种工作模态，其一是A、B同时供电，其二是A单独供电，其三是B单独供电，其四是A供电，B储能，C耗能，其五是A供电，B储能，C反馈。

为了保证双向双输入BUCK直流变换器有效工作，本发明还提供了一种双向双输入BUCK直流变换器功率分配方法，该方法包括对两个输入源提供功率和负载回馈功率的控制，电源A以最大功率输入，电源B作为功率缓冲单元，当负载需求功率大于电源A提供的功率时，电源B放电，当负载需求功率小于电源提供的功率时，电源B充电，电源A为光伏电池，通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，电源B为蓄电池，通过一个带反向输出的调节器(例如PI调节器)进行能量自动分配：当负载需求功率大于电源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为开关管M2的占空比，控制电源B的放电功率；当负载需求功率小于电源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为开关管M4的占空比，控制电源B的充电功率，维持负载电压稳定。

由于采用上述技术方案，本发明提供的双向双输入BUCK直流变具有这样的有益效果：

本发明具有：重量轻、体积小、成本低、损耗小、电路的效率高、输出电压波形中的纹波小、不需要隔离变压器等特点。采用两路能量输入，可充分利用新能源，并能双向传递能量，实现能量优化利用。易实现模块化，易扩展应用。

本发明与双输入BUCK电路相比，能实现能量回馈。由于在原来的双输入基础上增加了双向的功能，当负载需要的功率较多时，两个输入源同时给负载供电，与传统的双输入BUCK电路相同，当负载需要的功率较少时，新能源发出的电能大于负载需要的能量，通过适当的控制，实现能量反向流动，将多余的能量储存在蓄电池中，当新能源发出的电能不足时，蓄电池再放电，以维持输出电压的稳定，进而实现能量的优化分配。

附图说明

图1为本发明的双向双输入BUCK直流变换器电气原理图；

图2为本发明的控制系统结构框图；

图3为本发明的A、B同时供电的等效电路；

图4为本发明的A独立供电等效电路；

图5为本发明的B独立供电等效电路；

图6为本发明的A供电，B储能，C耗能等效电路；

图7为本发明的A供电，B储能，C反馈等效电路；

图8为本发明的仿真波形；

图9为本发明在太阳能汽车电机系统中的电气原理图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种双向双输入BUCK直流变换器，包括两个BUCK脉冲电压源和LC滤波器，一个脉冲电压源是由太阳能电池A和半桥开关组组成，另一个脉冲电压源是由蓄电池B和半桥开关组组成，它们均是在BUCK电路中用功率开关管代替续流二极管构成脉冲电压源，两个脉冲电压源相串联后，再经过LC滤波器给负载供电，电源正极接到半桥开关组的高端，电源负极接到半桥开关组的低端，并分别从半桥开关组中间和低端引出两个端子与其他电路连接，滤波器由电感L和电容C组成，连接方式为两个脉冲电压源串联，再经LC滤波器输出。V₁、V₂分别是两个输入源的输入电压，C端为负载端，M₁、M₂、M₃、M₄是开关管，D₁、D₂、D₃、D₄是续流二极管，L是滤波电感，C是滤波电容。光伏电池以最大功率输入，当负载消耗的功率大于光伏电池提供的功率时，蓄电池放电以提供不足的负载功率，当负载消耗的功率小于光伏电池提供的功率时，则多余的功率用于给蓄电池充电。根据电路中能量的传递，变换器存在五种工作模态，其一是A、B同时供电，其二是A单独供电，其三是B单独供电，其四是A供电，B储能，C耗能，其五是A供电，B储能，C反馈。

如图2所示，根据本发明的控制系统结构框图，在双向双输入BUCK直流变换器中，选择主从控制方式分配两路输入源输入功率，太阳能电池A作为主供电设备，蓄电池B为后备能源供电设备，这也符合可再生能源供电系统对能源的优先利用的要求。同时调节A源输入电流参考值以实现太阳电池的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。

如图3所示：A、B同时供电的等效电路。当M₁、M₂开通时，i_L增大，A与B串联同时向C供电，V_o=V₁+V₂，电流通路为V₂-M₂-V₁-M₁-L-C。当开关管都关断时，电感L通过D₃、D₄续流，向C供电，V₀=0，电流通路为D₄-D₃-L-C。在这个工作模态下，i_L恒大于零，A、B向C输出能量。

如图4所示：A独立供电等效电路。当M₁开通时，电感电流i_L增加，A向C供电，V_o=V₁，电流通路为V₁-M₁-L-C-D₄。当开关管都关断时，电感L通过D3、D4续流，向C供电，V_o=0，电流通路为L-C-D₄-D₃。在这个工作模态下，i_L恒大于零，A向C输出能量。

如图5所示：B独立供电等效电路。当M₂开通时，电感电流i_L增加，B向C供电，V_o=V₂，电流通路为V₂-M₂-D₃-L-C。当开关管都关断时，电感通过D₃、D₄续流，D向C供电，V_o=0，电流通路为L-C-D₄-D₃。在这个工作模态下，i_L恒大于零，B向C输出能量。

如图6所示：A供电、B储能、C耗能等效电路。当M₁开通时，电感电流i_L增加，A向C供电，V_o=V₁，电流通路为V₁-M₁-L-C-D₄。当开关管都关断时，电感通过D₃、D₄续流，向C供电，i_L减小，V_o=0，电流通路为L-C-D₄-D₃。当M₃、M₄开通时，电感电流i_L反向增加，L储能，电流通路为C-L-M₃-M₄。接下来将M4关断，D₂导通，i_L反向减小，给B储能，电流通路为C-L-M₃-D₂-B。在这个工作模态下，i_L过零，但平均值大于零。

如图7所示：A供电、B储能、C反馈等效电路。当M₁开通时，电感电流i_L增加，A向C供电，V_o=V₁，电流通路为V₁-M₁-L-C-D₄。当开关管都关断时，电感通过D₃、D₄续流，向C供电，i_L减小，V_o=0，电流通路为L-C-D₄-D₃。接下来M₃、M₄开通，i_L反向增加，L储能，电流通路为C-L-M₃-M₄。再接下来将M₄关断，这时D₂将导通，i_L反向减小，给B储能，电流通路为C-L-M₃-D₂-B。在这个工作模态下，i_L过零，但平均值小于零。

如图8所示：其中（a）为负载切换信号，（b）为输出电压波形，（c）为电感L电流波形。首先，两输入源同时供电，稳定后，切除部分负载，使A源输入功率大于负载功率，自动切换到能量回馈工作模态。按照其工作模态不同可以分为两个工作阶段：

阶段1：两个输入源同时给负载供电，其中对A源进行最大功率跟踪，使A源以最大功率输入。通过电压调节器控制B源输入的功率，使其提供不足的功率。从（b）中可以看出输出电压稳定在50V，从（c）中可以看出电感电流恒大于零。

阶段2：切除部分负载，导致瞬态功率不平衡，A源通过最大功率跟踪算法，工作在最大功率点，并保持恒定，由于输出电压大于给定值，使电压环调节器输出减小，变为负值，B源切换到储能工作模态，使输入功率和负载消耗功率平衡。从（b）中可以看出输出电压通过调节又稳定在50V，从（c）中可以看出电感电流有正的部分和负的部分，说明可以进行能量回馈，自动实现能量分配。

在以上工作过程中，也包含了两输入源单独给负载供电和负载侧回馈能量的工作模态，这里不在详细说明。通过仿真证明本发明所提出拓扑和功率分配方法的可行性和正确性。

下面以该拓扑在太阳能汽车中的应用为例进行说明：

图9为该发明在太阳能汽车电机系统中的电气原理图，其具体实施步骤如下：

1、太阳能电池和蓄电池同时给电机系统供电，当汽车启动或者重载时，需求功率较大，按照本发明所提出的功率分配方法，对太阳能电池进行最大功率跟踪，控制M₁通断，使太阳能电池以最大功率给电机系统供电，再控制M₂通断，使蓄电池提供不足的功率，这样可以充分利用太阳能，相对于单电源供电，可以提高瞬时功率。

2、太阳能电池单独供电，当蓄电池故障或者太阳能电池正好满足电机系统需求时，太阳能电池单独供电。此时，通过控制M₁通断，保持功率平衡，确保电机系统运转正常。

3、蓄电池单独供电。在阴天或者太阳能电池故障时，蓄电池单独供电。通过电压调节器控制M₂的通断，稳定输出电压，满足电机系统需求。

4、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机系统耗能。当光照较强烈，太阳能电池发出的功率大于电机系统需求的功率时，控制M₃，M₄的通断，将太阳能多余的功率储存到蓄电池中，避免能量浪费，光能得以充分利用。

5、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机系统回馈能量。当汽车在制动或者下坡时，电机系统工作在再生制动状态，将机械能转化为电能回馈到输入侧，在这种情况下，太阳能电池发出的能量和电机系统回馈的能量都要储存到蓄电池中，通过最大功率跟踪，控制M₁通断，使太阳能电池以最大功率输出，控制M₃，M₄通断，将能量储存到蓄电池中，避免能量浪费。

Claims

1.一种双向双输入BUCK直流变换器，包括两个BUCK脉冲电压源和LC滤波器，其特征在于：每个脉冲电压源是由电源和半桥开关组组成，是在BUCK电路中用功率开关管代替续流二极管构成脉冲电压源，两个脉冲电压源相串联后，再经过LC滤波器给负载供电，电源正极接到半桥开关组的高端，电源负极接到半桥开关组的低端，并分别从半桥开关组中间和低端引出两个端子与其他电路连接，滤波器由电感L和电容C组成，连接方式为两个脉冲电压源串联，再经LC滤波器输出。

2.一种双向双输入BUCK直流变换器的功率分配方法：其特征在于：它包括对两个输入源提供功率和负载回馈功率的控制，电源A以最大功率输入，电源B作为功率缓冲单元，当负载需求功率大于电源A提供的功率时，电源B放电，当负载需求功率小于电源提供的功率时，电源B充电，电源A为光伏电池，通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，电源B为蓄电池，通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配：当负载需求功率大于电源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为开关管M₂的占空比，控制电源B的放电功率；当负载需求功率小于电源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为开关管M₄的占空比，控制电源B的充电功率，维持负载电压稳定。