CN103390999A - 双向双输入buckboost直流变换器及其功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双向双输入BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法,该直流变换器包括两个BUCKBOOST脉冲电流源和输出滤波器。每个BUCKBOOST脉冲电流源单元均包括一个输入直流电压源、两个功率开关管和一个电感;两个BUCKBOOST脉冲电流源单元并联;输出滤波电路包括输出滤波电容c。功率分配方法包括对两个BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率控制。本发明具有能实现升降压、实现能量回馈、输出极性反转、输出电压调节范围大、损耗小、电路效率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换器领域,尤其是一种双向双输入BUCKBOOST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。众所周知,可再生能源具有成本低、安全可靠、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、随气候条件变化等不足。在此情况下,采用多种能源联合供电的分布式供电系统显得更加合理和安全。
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。但其存在结构复杂、成本高等问题。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、幅值和特性可相同也可不同,多个输入源可以单独或共同向负载供电。因此提高了供电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双向双输入BUCKBOOST直流变换器及其功率分配方法。
本发明的双向双输入BUCKBOOST直流变换器,包括第一BUCKBOOST脉冲电流源单元、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路;
所述的第一BUCKBOOST脉冲电流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和第一电感L1;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的源极与第二功率开关管M3的漏极、第一电感L1的一端连接,第一电感L1的另一端与第一输入直流电压源A的负极连接;
所述的第二BUCKBOOST脉冲电流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和第二电感L2;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的源极与第四功率开关管M4的漏极、第二电感L2的一端连接,第二电感L2的另一端与第二输入直流电压源B的负极连接;
所述第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的第二功率开关管的M3源极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的第四功率开关管的M4源极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的第一输入直流电压源A的负极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的第二输入直流电压源B的负极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元和第二BUCKBOOST脉冲电流源单元并联连接;
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c,其中输出滤波电容c的一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二功率开关管M3的源极、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M4的源极和负载R的一端连接,输出滤波电容c的另一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第一电感L1、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二电感L2以及负载R的另一端连接。
本发明还提供了一种双向双输入BUCKBOOST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,对第一BUCKBOOST脉冲电流源单元和第二BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率的控制;第一输入直流电压源A以最大功率输入,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,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R需求功率大于第一输入直流电压源A输入功率时,第二输入直流电压源B放电;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R需求功率小于第一输入直流电压源A输入功率时,第二输入直流电压源B充电;负载电压升高,调节器输出为负值,转化为第四功率开关管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BUCKBOOST直流变换器具有以下有益效果:
本发明能实现升降压、输出极性反转、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、两个电流源并联,可以用在大电流场合等特点;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BUCKBOOST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BUCKBOOST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BUCKBOOST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BUCKBOOST直流变换器在不同开关模态的等效电路;
图11为本发明的A、B同时供电的原理波形图;
图12为本发明的A独立供电的原理波形图;
图13为本发明的B独立供电的原理波形图;
图14为本发明的A供电,B储能,C耗能的原理波形图;
图15为本发明的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。
上述附图中的主要符号名称:V1、V2分别是第一输入电压源A、第二输入直流电压源B;R是负载C;M1、M2、M3、M4分别是第一、第三、第二和第四功率开关管;D1、D2、D3、D4分别是第一、第三、第二和第四功率开关管体二极管;L1、L2是第一、第二电感,c是输出滤波电容;VM1、VM2、VM3、VM4分别是第一、第三、第二和第四功率开关管的驱动电压;iL1、iL2是第一电感电流、第二电感电流;i是负载电流;I是负载电流平均值;VO是输出电压;t、t0~t4是时间。
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,本发明的一种双向双输入BUCKBOOST直流变换器,包括第一BUCKBOOST脉冲电流源单元、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路;
所述的第一BUCKBOOST脉冲电流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和第一电感L1;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的源极与第二功率开关管M3的漏极、第一电感L1的一端连接,第一电感L1的另一端与电源A的负极连接;
所述的第二BUCKBOOST脉冲电流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和第二电感L2;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的源极与第四功率开关管M4的漏极、第二电感L2的一端连接,第二电感L2的另一端与电源B的负极连接;
所述第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的第二功率开关管的M3源极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的第四功率开关管的M4源极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的电源A的负极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的电源B的负极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元和第二BUCKBOOST脉冲电流源单元并联连接;
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c,其中输出滤波电容c的一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二功率开关管M3的源极、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M4的源极和负载R的一端连接,输出滤波电容c的另一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第一电感L1、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二电感L2以及负载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BUCKBOOST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,电源A选用太阳能电池作为主供电设备,电源B选用蓄电池作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对本发明直流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所有功率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。
根据第一、第三、第二、第四功率开关管M1、M2、M3、M4的开关状态,可将直流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,电感L1和L2分别从电源A、B中汲取能量,电感电流iL1、iL2增大,电流通路分别为A-M1-L1和B-M2-L2;负载的电流则由电容器c放电提供。
2、开关模态II
如图4所示,M1开通,M2、M3和M4关断,电感L1从电源A中汲取能量,电感电流iL1增大,电流通路为A-M1-L1;负载的电流则由电容器c放电提供。
3、开关模态III
如图5所示,M2开通,M1、M3和M4关断,电感L2从电源B中汲取能量,电感电流iL2增大,电流通路为B-M2-L2;负载的电流则由电容器c放电提供。
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L1将经过电容器c,负载R和二极管D3续流,电感L2将经过电容器c,负载R和二极管D4续流,电感电流iL1、iL2减小,电流通路分别为L1-c-D3和L2-c-D4。
5、开关模态V
如图7所示,M1、M2、M3和M4关断,D3导通,电感L1将经过电容器c,负载R和二极管D3续流,电感电流iL1减小,电流通路为L1-c-D3。
6、开关模态VI
如图8所示,M1、M2、M3和M4关断,D4导通,电感L2将经过电容器c,负载R和二极管D4续流,电感电流iL2减小,电流通路L2-c-D4。
7、开关模态VII
如图9所示,M4开通,M1、M2、M3关断,电感L2从负载单元中汲取能量,电感电流iL2反向增大,电流通路为R-L2-M4。
8、开关模态VIII
如图10所示,M1、M2、M3和M4关断,D2导通,L2通过二极管D2续流,给电源B充电,电感电流iL2反向减小,电流通路为L2-D2-B;负载的电流则由电容器c放电提供。
由上述分析可知,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BUCKBOOST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,电源A、电源B电感电流iL1、iL2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,电源A电感电流iL1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,电源B电感电流iL2恒大于零;
四、电源A供电,电源B储能,负载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,电源B电感电流iL2过零,但负载电流平均值I大于零;
五、电源A供电,电源B储能,负载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,电源B电感电流iL2过零,但负载电流平均值I小于零。
如图16所示:其中(a)为负载切换信号,(b)为输出电压VO波形,(c)为负载电流i波形。首先,电源A、电源B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:电源A、电源B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VO稳定在50V,从(c)中可以看出负载电流i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,电源B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)中可以看出负载电流i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,这里不再详细说明。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BUCKBOOST直流变换器,其特征在于:包括第一BUCKBOOST脉冲电流源单元、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元和输出滤波电路;
所述的第一BUCKBOOST脉冲电流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和第一电感L1;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的源极与第二功率开关管M3的漏极、第一电感L1的一端连接,第一电感L1的另一端与第一输入直流电压源A的负极连接;
所述的第二BUCKBOOST脉冲电流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和第二电感L2;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的源极与第四功率开关管M4的漏极、第二电感L2的一端连接,第二电感L2的另一端与第二输入直流电压源B的负极连接;
所述第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的第二功率开关管的M3源极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的第四功率开关管的M4源极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元的第一输入直流电压源A的负极与第二BUCKBOOST脉冲电流源单元的第二输入直流电压源B的负极连接,第一BUCKBOOST脉冲电流源单元和第二BUCKBOOST脉冲电流源单元并联连接;
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容c,输出滤波电容c的一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二功率开关管M3的源极、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第四功率开关管M4的源极和负载R的一端连接,输出滤波电容c的另一端分别与第一BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第一电感L1、第二BUCKBOOST脉冲电流源单元中的第二电感L2以及负载R的另一端连接。
2.一种双向双输入BUCKBOOST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,对第一BUCKBOOST脉冲电流源单元和第二BUCKBOOST脉冲电流源单元进行功率分配和负载回馈功率的控制;第一输入直流电压源A以最大功率输入,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,通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配;
当负载R需求功率大于第一输入直流电压源A输入功率时,第二输入直流电压源B放电;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R需求功率小于第一输入直流电压源A输入功率时,第二输入直流电压源B充电;负载电压升高,调节器输出为负值,转化为第四功率开关管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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