CN103312168A - 双向双输入zeta直流变换器及其功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双向双输入ZETA直流变换器及其功率分配方法，双向双输入ZETA直流变换器包括第一ZETA脉冲电压源单元、第二ZETA脉冲电压源单元和输出滤波电路；所述的第一ZETA脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁；所述的第二ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄、第二电感L₂和第二电容C₂；所述的输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容C。其功率分配方法包括对两个输入直流电压源进行功率分配和负载回馈功率控制。本发明具有：电路结构较复杂、能实现升降压、输出电压调节范围大、能实现能量回馈、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ZETA直流变换器及其功率分配方法

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及一种双向双输入ZETA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，但这些发电形式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，而且输入源的性质、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，本发明的目的在于提供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。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种双向双输入ZETA直流变换器，包括第一ZETA脉冲电压源单元、第二ZETA脉冲电压源单元和输出滤波电路；

所述的第一ZETA脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，第一输入直流电压源A的正极与第一功率开关管M₁的漏极连接，第一功率开关管M₁的源极与第一电感L₁的一端、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的漏极连接，第一电感L₁的另一端与第一输入直流电压源A的负极、第二功率开关管M₃的源极连接；

所述的第二ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄、第二电感L₂和第二电容C₂，第二输入直流电压源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第二电感L₂的一端、第二电容C₂的一端连接，第二电容C₂的另一端与第四功率开关管M₄的漏极连接，第二电感L₂的另一端与第二输入直流电压源B的负极、第四功率开关管M₄的源极连接；

所述第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃与所述第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄相串联；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容C，其中输出滤波电感L的一端分别连接第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃的漏极和第一电容C₁的一端，滤波电感L的另一端分别连接输出滤波电容C的一端、负载R的一端，输出滤波电容C的另一端分别与第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄的源极、第二电感L₂的一端以及第二输入直流电压源B的负极和负载R的另一端连接。

本发明的目的还在于提供了一种双向双输入ZETA直流变换器功率分配方法，它包括如下内容：

第一输入直流电压源A为光伏电池，第二输入直流电压源B为蓄电池，对两个输入直流电压源进行功率分配和负载回馈功率控制。第一输入直流电压源A以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二输入直流电压源B作为功率缓冲单元，并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第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B放电；当负载需求功率小于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B充电；当负载需求功率大于第一输入直流电压源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为第三功率开关管M₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；当负载需求功率小于第一输入直流电压源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制第二输入直流电压源B的充电功率，维持负载电压稳定。

由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明提供的双向双输入ZETA直流变换器及其功率分配方法具有这样的有益效果：

本发明虽电路结构较复杂，但具有如下特点：能实现升降压、输出电压调节范围大、能实现能量回馈、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；本发明采用两路能量输入，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ZETA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ZETA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ZETA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至图10是本发明的双向双输入ZETA直流变换器在不同开关模态的等效电路；

图11为本发明中A、B同时供电的原理波形图；

图12为本发明中A独立供电的原理波形图；

图13为本发明中B独立供电的原理波形图；

图14为本发明中A供电，B储能，C耗能的原理波形图；

图15为本发明中A供电，B储能，C反馈能量的原理波形图；

图16为本发明的仿真波形；

图17为本发明在太阳能汽车电机系统中的电气原理图。

上述附图中的符号意义：V₁、V₂分别是第一输入直流电压源A、第二输入直流电压源B的输入电压；M₁、M₂、M₃、M₄分别为第一、第三、第二、第四功率开关管；D₁、D₂、D₃、D₄分别为第一、第三、第二、第四功率开关管体二极管；L₁、L₂分别为第一、第二电感；C₁、C₂分别为第一、第二电容；L为输出滤波电感；C为输出滤波电容；R是负载；V_M1、V_M2、V_M3、V_M4分别为第一、第三、第二、第四功率开关管的驱动电压；V_ab为a与b两点间电压；i_L为滤波电感电流，I_L为滤波电感电流平均值，i₂为第二输入直流电压源B的输入电流；V_o为输出电压；t、t₀～t₄为时间。

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，一种双向双输入ZETA直流变换器，包括第一ZETA脉冲电压源单元、第二ZETA脉冲电压源单元和输出滤波电路；

所述的第一ZETA脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A（以下简称电源A）、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，电源A的正极与第一功率开关管M₁的漏极连接，第一功率开关管M₁的源极与第一电感L₁的一端、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的漏极连接，第一电感L₁的另一端与电源A的负极、第二功率开关管M₃的源极连接；

所述的第二ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源B(以下简称电源B)、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄、第二电感L₂和第二电容C₂，电源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第二电感L₂的一端、第二电容C₂的一端连接，第二电容C₂的另一端与第四功率开关管M₄的漏极连接，第二电感L₂的另一端与电源B的负极、第四功率开关管M₄的源极连接；

所述第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃与第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄相串联；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容C，其中输出滤波电感L的一端分别连接第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃的漏极和第一电容C₁的一端，滤波电感L的另一端分别连接输出滤波电容C的一端、负载R的一端，输出滤波电容C的另一端分别与第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄的源极、第二电感L₂的一端以及电源B的负极和负载R的另一端连接。

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ZETA直流变换器中，选择主从控制方式分配两路输入直流电压源输入功率，电源A选用太阳能电池作为主供电设备，电源B选用蓄电池为后备能源供电设备，符合可再生能源供电系统对能源的优先利用的要求。同时调节电源A输入电流参考值以实现太阳能电池的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）。电源B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，转化为第三功率开关管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，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制电源B的充电功率，维持负载电压稳定。

下面结合图3～图10对本发明变换器的工作原理进行具体分析。在分析之前，先作如下假设：①所有开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；②所有电感和电容均为理想器件。

根据功率开关管M₁～M₄的开关状态，可将变换器分为以下八种工作模态：

1.开关模态I：

如图3所示，M₁、M₂开通，M₃、M₄关断，滤波电感i_L增大，A与B串联同时与电容器C₁、C₂向C供电，ab两点间电压V_ab=V₁+V_C1+V₂+V_C2，电流通路为V₂-M₂-C₂-V₁-M₁-C₁-L-C；同时，L₁和L₂分别从输入电源V₁和V₂汲取能量，建立电感电流，电流通路分别为V₁-M₁-L₁和V₂-M₂-L₂。

2.开关模态II：

如图4所示，M₁开通，M₂、M₃和M₄关断，D₄导通，滤波电感电流i_L增加，A与电容器C₁向C供电，ab两点间电压V_ab=V₁+V_C1，电流通路为V₁-M₁-C₁-L-C-D₄;同时，电感L₁从输入电源V₁汲取能量，建立电感电流，电流通路为V₁-M₁-L₁。

3.开关模态III：

如图5所示，M₂开通，M₁、M₃和M₄关断，D₃导通，滤波电感电流i_L增加，B与电容器C₂向C供电，ab两点间电压V_ab=V₂+V_C2，电流通路为V₂-M₂-C₂-D₃-L-C；同时，电感L₂从输入电源V₂汲取能量，建立电感电流，电流通路为V₂-M₂-L₂。

4.开关模态IV：

如图6所示，M₁、M₂、M₃和M₄关断，D₃和D₄导通，电感L通过D₃、D₄续流，向C供电，滤波电感电流i_L减小，ab两点间电压V_ab=0，电流通路为D₄-D₃-L-C；同时电感L₁、L₂分别通过D₃、D₄向电容C₁、C₂充电完成续流，电流通路分别为L₁-D₃-C₁和L₂-D₄-C₂。

5.开关模态V：

如图7所示，M₁、M₂、M₃和M₄关断，D₃和D₄导通，电感L通过D₃、D₄续流，向C供电，滤波电感电流i_L减小，ab两点间电压V_ab=0，电流通路为D₄-D₃-L-C；同时电感L₁通过D₃向电容C₁充电完成续流，电流通路为L₁-D₃-C₁。

6.开关模态VI：

如图8所示，M₁、M₂、M₃和M₄关断，D₃和D₄导通，电感L通过D₃、D₄续流，向C供电，滤波电感电流i_L减小，ab两点间电压V_ab=0，电流通路为D₄-D₃-L-C；同时电感L₂通过D₄向电容C₂充电完成续流，电流通路为L₂-D₄-C₂。

7.开关模态VII：

如图9所示，M₃、M₄开通，M₁、M₂关断，滤波电感电流i_L反向增加，L储能，电流通路为C-L-M₃-M₄。

8.开关模态VIII：

如图10所示，M₃开通，M₁、M₂和M₄关断，D₂导通，滤波电感电流i_L反向减小，负载单元通过电容C₂和二极管D₂给B储能，电流通路为C-L-M₃-C₂-D₂-V₂。

由上述分析可知，以电源A(太阳能电池)和电源B（蓄电池）作为两个输入电压源，根据电路中能量的传递，双向双输入ZETA直流变换器存在5种工作模式：

一、电源A、电源B同时供电，电路工作时序为I、IV模态，变换器原理波形如图11所示，滤波电感电流i_L恒大于零；

二、电源A单独供电，电路工作时序为II、V模态，变换器原理波形如图12所示，滤波电感电流i_L恒大于零；

三、电源B单独供电，电路工作时序为III、VI模态，变换器原理波形如图13所示，滤波电感电流i_L恒大于零；

四、电源A供电，电源B储能，C耗能，电路工作时序为II、V、VII、VIII模态，变换器原理波形如图14所示，滤波电感电流i_L过零，但平均值I_L大于零；

五、电源A供电，电源B储能，C反馈，电路工作时序为II、V、VII、VIII模态，变换器原理波形如图15所示，滤波电感电流i_L过零，但平均值I_L小于零。

如图16所示：其中（a）为负载切换信号，（b）为输出电压V_o波形，（c）为电源B输入电流i₂波形。首先，两输入电源同时供电，稳定后，切除部分负载，使电源A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1：两个输入电源同时给负载供电，其中对电源A进行最大功率跟踪，使电源A以最大功率输入。通过电压调节器控制电源B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）中可以看出电源B输入电流i₂恒大于零。

阶段2：切除部分负载，导致瞬态功率不平衡，电源A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）中可以看出电源B输入电流i₂恒小于零，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，也包含了两输入电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17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 (2)

1.一种双向双输入ZETA直流变换器，其特征在于：包括第一ZETA脉冲电压源单元、第二ZETA脉冲电压源单元和输出滤波电路；

所述的第一ZETA脉冲电压源单元包括第一输入直流电压源A、第一功率开关管M₁、第二功率开关管M₃、第一电感L₁和第一电容C₁，第一输入直流电压源A的正极与第一功率开关管M₁的漏极连接，第一功率开关管M₁的源极与第一电感L₁的一端、第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与第二功率开关管M₃的漏极连接，第一电感L₁的另一端与第一输入直流电压源A的负极、第二功率开关管M₃的源极连接；

所述的第二ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源B、第三功率开关管M₂、第四功率开关管M₄、第二电感L₂和第二电容C₂，第二输入直流电压源B的正极与第三功率开关管M₂的漏极连接，第三功率开关管M₂的源极与第二电感L₂的一端、第二电容C₂的一端连接，第二电容C₂的另一端与第四功率开关管M₄的漏极连接，第二电感L₂的另一端与第二输入直流电压源B的负极、第四功率开关管M₄的源极连接；

所述第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃与所述第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄相串联；

所述的输出滤波电路包括输出滤波电感L和输出滤波电容C，其中输出滤波电感L的一端分别连接第一ZETA脉冲电压源单元中的第二功率开关管M₃的漏极和第一电容C₁的一端，滤波电感L的另一端分别连接输出滤波电容C的一端、负载R的一端，输出滤波电容C的另一端分别与第二ZETA脉冲电压源单元中的第四功率开关管M₄的源极、第二电感L₂的一端以及第二输入直流电压源B的负极和负载R的另一端连接。

2.一种双向双输入ZETA直流变换器的功率分配方法，其特征在于：

它包括如下内容：

第一输入直流电压源A为光伏电池，第二输入直流电压源B为蓄电池，对两个输入直流电压源进行功率分配和负载回馈功率控制。第一输入直流电压源A以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二输入直流电压源B作为功率缓冲单元，并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第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B放电；当负载需求功率小于第一输入直流电压源A提供的功率时，第二输入直流电压源B充电；当负载需求功率大于第一输入直流电压源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为第三功率开关管M₂的占空比，控制第二输入直流电压源B的放电功率；当负载需求功率小于第一输入直流电压源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第二功率开关管M₃和第四功率开关管M₄的占空比，控制第二输入直流电压源B的充电功率，维持负载电压稳定。

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