CN103051182B - 一种变结构双输入直流变换器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种变结构双输入直流变换器，包含电感、高频功率开关、高频二极管、升压电容和输出滤波电容；还包括低频切换电路，所述低频切换电路由第一低频切换开关、第二低频切换开关和低频旁路二极管构成。本发明的变结构双输入变换器既能双输入工作，又能单输入高增益工作，用同一电路结构实现了不同的功能，既降低了成本，又具有较好的灵活性，有利于变换器整体工作性能的提高。特别是在多输入变换器的基础上引入了一个低频切换电路，该直流变换器可根据输入条件的变化，通过对低频切换开关的控制改变自身结构，既可多输入联合供电，也可单输入高增益工作，同时实现联合供电及低电压输入时的高增益调压。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流-直流变换器，具体说是一种变结构双输入直流变换器。
背景技术
风光互补并网发电系统充分利用风能和太阳能的各自特点，相互配合，发挥出可再生能源的最大效用，具有重大的应用价值和前景。风光互补并网发电系统根据风力和太阳辐射变化的情况，可以在以下三种模式下运行：风力机组单独供电；光伏发电系统单独供电；风力机组和光伏发电系统联合供电。传统的风光互补并网发电系统中，为提高可再生能源的利用效率，风能和太阳能各需要一个直流变换器，将输入源进行电能变换，再并联在公共直流母线上，但存在电路结构及控制复杂、成本高等缺陷。为克服此缺陷，简化电路结构，可用一个双输入直流变换器取代多个单输入直流变换器。
但鉴于风力机组和光伏电池模块的输出电压等级差异较大（风能经过变换后的直流电压一般可控制在150V左右，光伏电池模块的端电压一般在33V-43V左右），为满足380V并网母线电压的要求，双输入直流变换器必须既具有对风能和太阳能联合供电的调节能力，又具有对低电压等级太阳能单独供电时高增益调节的能力。所以研究实现既能多输入工作又能单输入高增益工作的多输入直流变换器对风光互补并网发电系统的发展具有重要意义。
在现有技术中，多输入直流变换器，在风能和太阳能联合供电时，其输入输出电压的调节关系相当于多个电压源的串联调制，比较容易满足直流母线电压的要求；但在每个输入源单独供电时，该类变换器的输入输出电压的关系仅为常用的Buck、Boost、Buck-Boost等变换器的电压传输比，在低电压等级的太阳能模块单独供电时，占空比的调节可能超出极限值，器件的电压电流应力必然会增大，严重损害系统的性能。因此，现有的多输入直流变换器仅能实现风能和太阳能的联合供电，不具备低电压等级的太阳能模块单独供电时高增益调节的能力。
为提高电压的调节增益，现有技术中有多种单输入高增益直流变换器拓扑，如：级联Boost变换器、耦合电感型高增益直流变换器、开关电容型高增益直流变换器、多绕组耦合的交错并联Boost变换器等，这些单输入高增益直流变换器都能有效提高电压增益，减小占空比的调节范围，但仅能实现单输入工作，不能对风能和太阳能联合供电的情况进行调节。
综上所述，在风光互补并网发电系统中，现有的多输入直流变换器仅能保证风能和太阳能联合供电时系统的高性能，并不能满足太阳能单独工作时高增益高效率的要求；而现有的单输入高增益变换器仅能单输入工作，不能对风能和太阳能互补工作的情况进行调节。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明旨在提供一种用同一电路结构，依据工作条件的变化，既能实现多输入联合工作，又能实现单输入高增益工作的变结构双输入直流变换器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种变结构双输入直流变换器，其特征在于，包括两个电感L1和L2，两个高频功率开关S1和S2，两个高频二极管D1和D2，升压电容C1和输出滤波电容Co；还包括低频切换电路；
第一高频功率开关S1，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一电感L1的一端连接，连接节点记为节点c，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G1；
第二高频功率开关S2，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第二电感L2的一端连接，连接节点记为节点d，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G2；
升压电容C1的负极与节点d相连，正极与第二高频二极D2的阳极相连，连接节点记为节点e，第二高频二极D2的阴极与变换器输出端的正极相连；第一高频二极D1的阳极连接于节点c,阴极连接于节点e；输出滤波电容Co连接于变换器输出端的正极和负极之间；
风能发电机经整流后的输出端和太阳能电池的负极均与变换器输出端的负极相连接；
所述低频切换电路由第一低频切换开关Sa1、第二低频切换开关Sa2和低频旁路二极管Da构成；
所述第一低频切换开关Sa1，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阴极和第一电感L1的另一端相连，连接节点记为节点a，其漏极与风能发电机输出端U1的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga1；
所述第二低频切换开关Sa2，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阳极和第二电感L2的另一端相连，连接节点记为节点b，其漏极与太阳能电池U2的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga2。进一步地，所述的风能发电机经整流后的输出电压U1大于太阳能电池的输出电压U2。
更进一步地，所述的低频切换电路的后级电路可以是其它形式的在单输入源和双输入源条件下都能工作的直流变换器。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明在多输入变换器的基础上引入了一个低频切换电路，该直流变换器可根据输入条件的变化，通过对低频切换开关的控制改变自身结构，既可多输入联合供电，也可单输入高增益工作，同时实现联合供电及低电压输入时的高增益调压。
2、本发明允许风能和光伏电池模块同时向其供电，且可以通过控制，使得每一种输入源均可独立工作于最大功率点处，也可以通过控制实现输入能量的管理；
3、本发明可以实现风能和太阳能分别独立工作，且在电压等级较低的太阳能单独工作时具有高增益性，实现光伏电池到并网直流母线电压之间直流变换器高增益升压任务；
4、本发明的变结构双输入变换器既能双输入工作，又能单输入高增益工作，用同一电路结构实现了不同的功能，既降低了成本，又具有较好的灵活性，有利于变换器整体工作性能的提高。
附图说明
图1本发明一种变结构双输入直流变换器电路结构图；
图2本发明在高电压输入源单独工作时的等效电路；
图3本发明在低电压输入源单独工作时的等效电路；
图4本发明在双输入源联合工作时的等效电路。
图5本发明采用其它直流变换器时的实施原理图；
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。
参见图1，一种变结构双输入直流变换器，包含：两个电感L1和L2，两个高频功率开关S1和S2，两个高频二极管D1和D2，升压电容C1和输出滤波电容Co；
第一高频功率开关S1，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一电感L1的一端连接，连接节点记为节点c，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G1；
第二高频功率开关S2，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第二电感L2的一端连接，连接节点记为节点d，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G2；
升压电容C1的负极与节点d相连，正极与第二高频二极D2的阳极相连，连接节点记为节点e，第二高频二极D2的阴极与变换器输出端的正极相连；第一高频二极D1的阳极连接于节点c,阴极连接于节点e；输出滤波电容Co连接于变换器输出端的正极和负极之间；
风能发电机经整流后的输出端和太阳能电池的负极均与变换器输出端的负极相连接；
所述一种变结构双输入直流变换器还包括低频切换电路1，所述低频切换电路1由第一低频切换开关Sa1、第二低频切换开关Sa2和低频旁路二极管Da构成；
所述第一低频切换开关Sa1，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阴极和第一电感L1的另一端相连，连接节点记为节点a，其漏极与风能发电机输出端U1的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga1；
所述第二低频切换开关Sa2，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阳极和第二电感L2的另一端相连，连接节点记为节点b，其漏极与太阳能电池U2的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga2。
进一步地，所述的风能经整流后的输出电压U1大于太阳能电池的输出电压U2。
本发明的工作原理在于：通过对第一低频切换开关Sa1和第二低频切换开关Sa2的控制，实现本发明的三种工作模式，具体如下：
(1)工作模式1：风能单独工作。控制器控制第一低频切换开关Sa1导通，第二低频切换开关Sa2关断，其等效电路结构如附图2所示，其即为基本的Boost升压变换器，实现对风能输出的电压调节，其工作原理与现有技术中基本的Boost升压变换器工作原理相同，这里不再具体阐述。
(2)工作模式2：太阳能单独工作。控制器控制第二低频切换开关Sa2导通，第一低频切换开关Sa1关断，其等效电路结构如附图3所示，为一种交错并联型高增益升压变换器，第一高频功率开关S1和第二高频功率开关S2互差180°导通，通过升压电容C1的作用，实现对低电压等级的太阳能高升压的调节，其调节电压的增益是基本Boost变换器的2倍。
(3)工作模式3：太阳能和风能联合供电。控制器控制第一低频切换开关Sa1和第二低频切换开关Sa2均导通，低频旁路二极管Da截止，其等效电路如附图4所示，为一种双输入直流变换器，通过对第一高频功率开关S1和第二高频功率开关S2的合理控制，实现对不同电压等级输入源调压的目的，其输出电压相当于两个基本Boost电路对不同输入源的串联调节。
本发明仅需要两个低频切换开关和一路旁路二极管，即可同时实现联合供电及低电压输入时的高增益调压，用同一电路结构实现了多种功能，简化了电路结构，节约了成本，提高了风光互补发电系统的可靠性。
进一步地，所述的低频切换电路1的后级电路可以是其它形式的在单输入条件下和双输入条件下都可以工作的直流变换器。本发明的另一个实施实例如图5所示，通过对低频切换电路的控制，同样可以实现风光互补发电系统的三种工作模式。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (1)
1.一种变结构双输入直流变换器，其特征在于，包括两个电感L1和L2，两个高频功率开关S1和S2，两个高频二极管D1和D2，升压电容C1和输出滤波电容Co；还包括低频切换电路（1）；
第一高频功率开关S1，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第一电感L1的一端连接，连接节点记为节点c，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G1；
第二高频功率开关S2，其具有源极、漏极和栅极，其漏极与第二电感L2的一端连接，连接节点记为节点d，其源极与变换器输出端的负极相连，其栅极接控制器发出的控制信号G2；
升压电容C1的负极与节点d相连，正极与第二高频二极管D2的阳极相连，连接节点记为节点e，第二高频二极管D2的阴极与变换器输出端的正极相连；第一高频二极管D1的阳极连接于节点c,阴极连接于节点e；输出滤波电容Co连接于变换器输出端的正极和负极之间；
风能发电机经整流后的输出端和太阳能电池的负极均与变换器输出端的负极相连接；
所述低频切换电路（1）由第一低频切换开关Sa1、第二低频切换开关Sa2和低频旁路二极管Da构成；
所述第一低频切换开关Sa1，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阴极和第一电感L1的另一端相连，连接节点记为节点a，其漏极与风能发电机输出端的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga1；
所述第二低频切换开关Sa2，其具有源极、漏极和栅极，其源极同时与低频旁路二极管Da的阳极和第二电感L2的另一端相连，连接节点记为节点b，其漏极与太阳能电池的正极相连，其栅极接控制器发出的控制信号Ga2；
所述的风能发电机经整流后的输出电压U1大于太阳能电池的输出电压U2；
所述的低频切换电路（1）的后级电路是在单输入条件下和双输入条件下都可以工作的直流变换器。
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