CN103825453B - 一种变结构多输入高增益直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明的目的是提供一种变结构多输入高增益直流变换器电路拓扑。该直流变换器既能实现多种可再生能源的联合发电，又能实现电压等级较低的太阳能单独发电时的高增益，同时又不增加系统的成本和复杂度。

Description

一种变结构多输入高增益直流变换器

技术领域

本发明涉及可再生能源联合并网发电领域。

背景技术

由于世界能源形势的日益紧张，以及环境污染严重、全球变暖等原因，可再生能源的开发和利用越来越受到人们的重视。随着以可再生能源为代表的微型能源发电技术、分布式发电技术以及储能技术的飞速发展，混合能源系统正在逐渐成为研究的热点。目前，应用较多的可再生能源发电主要有光伏发电、风力发电、水力发电、地热发电等，但均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等缺点，因此需要采用多种可再生能源联合供电的分布式并网发电系统。

在传统的可再生能源联合发电系统中，每种能源形式均需要一个DC/DC变换器，将各能源变换成直流电压输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，然而存在变换器电路结构复杂、成本较高等缺点。为了简化电路结构、降低系统成本，采用一个多输入直流变换器（Multi-inputDC/DCconverter,MIC）代替多个单输入直流变换器已成为一种必然的发展趋势。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，实现能源的优先利用，并且降低了系统成本。

值得注意的是，在多种可再生能源联合供电的分布式发电系统中，直流输入源的电压等级各不相同。其中，经过合理的设计，风能经过变换后的直流电压较高，一般可控制在150V以上；而受限于各个光伏电池板之间的相互影响，光伏电池板不能串联过多，否则整个模块的性能会大大降低，这间接导致了光伏电池板模组的端电压相对过低，一般在33V～43V。为满足220V单相或380V三相并网电压的要求，可再生能源联合并网发电系统中的直流母线电压一般在380V或760V以上，这就使得MIC电路必须兼具较大的升压能力（即高增益），才能够实现对多种不同电压等级的输入源进行调节控制，达到满足并网发电的要求。因此，研究一种多输入高增益直流变换器，是构建可再生能源联合并网发电系统的基础。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能实现多种可再生能源的联合发电，又能实现电压等级较低的太阳能单独发电时的高增益，同时又不增加系统的成本和复杂度，为可再生能源联合发电系统提供一种研究思路。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种变结构多输入高增益直流变换器，包括n个开关电容单元，n为大于1的自然数。

第j个开关电容单元包括二极管D_j1、二极管D_j2、电容C_j1和电容C_j2，其中，j＝1、2……n。二极管D_j1的阴极与电容C_j2的正极连接，电容C_j2的负极与二极管D_j2的阴极连接，二极管D_j1的阳极连接电容C_j1的正极，电容C_j1的负极与二极管D_j1的阳极连接。电容C_j1的正极与二极管D_j2阴极之间连接有源开关管S_j。所述有源开关管S_j的两端连接供电单元。

第1个开关电容单元中的二极管D₁₁的阴极与二极管D₀的阳极连接。所述二极管D₀的阴极串联电容C₀后，与第n个开关电容单元中的二极管D_n2的阳极连接。

第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阳极连接低频开关Q_tongk的一端，所述低频开关Q_tongk的另一端连接第k＋1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阴极。第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阳极连接低频开关Q_{fen（2k－1）}的一端，所述低频开关Q_{fen（2k－1）}的另一端连接第k＋1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阳极。第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阴极连接低频开关Q_fen（2k）的一端，所述低频开关Q_{fen （2k）}的另一端连接第k＋1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阴极。其中，k＝1、2……（n－1）。

进一步地，n个开关电容单元对应n个供电单元，第j个供电单元中的电压源U_inj所输出电压的1/(1-D)倍加在所述第j个开关电容单元中的有源开关管S_j的两端。

作为优选，每一个供电单元中还包括一个低频开关和一个电感：第j个供电单元中的电压源U_inj的一端依次串联低频开关T_j和电感L_j。通过控制低频开关T_j的通断，选择性地将电压源接入电路。

本发明的技术效果是毋庸置疑的，该变换器具有如下优点：

1)升压能力强，控制电路简单，输入电流纹波小；

2)在开关电容电压累加器中，所有开关管、二极管和电容的电压应力小；

3)电容电压应力小，因而降低了对电容的要求，减小了电路体积和成本；

4)任何供电单元单独工作或所有供电单元同时工作时，所有开关电容单元都参与工作，因而元器件利用率高。

附图说明

图1可再生能源联合并网发电系统结构图，

图2基于SCVA的变结构多输入高增益直流变换器工作原理图，

图3并联型SCVA拓扑结构，

图4串并联型SCVA拓扑结构（两个串联，其它均并联），

图5串并联型SCVA拓扑结构（三个串联，其它均并联），

图6串联型SCVA拓扑结构，

图7开关电容单元，

图8基于SCVA的变结构三输入高增益直流变换器，

图9不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：分时供电模式等效电路，

图10不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：供电单元1和2同时工作等效电路，

图11不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：供电单元1和3同时工作等效电路1，

图12不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：供电单元1和3同时工作等效电路2，

图13不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：供电单元2和3同时工作等效电路，

图14不同工作条件下变结构多输入高增益直流变换器的等效电路：三个供电单元同时工作等效电路。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例针对可再生能源联合并网发电系统，公开一种具有三个单元的变结构多输入高增益直流变换器，参见图8，包括3个开关电容单元和3个供电单元。

参见图7，第j个开关电容单元包括二极管D_j1、二极管D_j2、电容C_j1和电容C_j2，其中，j＝1、2、3。即第1个开关电容单元包括二极管D₁₁、二极管D₁₂、电容C₁₁和电容C₁₂；第2个开关电容单元包括二极管D₂₁、二极管D₂₂、电容C₂₁和电容C₂₂；第3个开关电容单元包括二极管D₃₁、二极管D₃₂、电容C₃₁和电容C₃₂。二极管D_j1的阴极与电容C_j2的正极连接，电容C_j2的负极与二极管D_j2的阴极连接，二极管D_j1的阳极连接电容C_j1的正极，电容C_j1的负极与二极管D_j1的阳极连接。电容C_j1的正极与二极管D_j2阴极之间连接有源开关管Sj。所述有源开关管S_j的两端连接供电单元。

第1个开关电容单元中的二极管D₁₁的阴极与二极管D₀的阳极连接。所述二极管D₀的阴极串联电容C₀后，与第3个开关电容单元中的二极管D₃₂的阳极连接。电容C₀的两端并联负载，

第1个开关电容单元中的二极管D₁₂的阳极连接低频开关Q_tong1的一端，所述低频开关Q_tong1的另一端连接第2个开关电容单元中的二极管D₂₁的阴极。第1个开关电容单元中的二极管D₁₂的阳极连接低频开关Q_fen1的一端，所述低频开关Q_fen1的另一端连接第2个开关电容单元中的二极管D₂₁的阳极。第1个开关电容单元中的二极管D₁₂的阴极连接低频开关Q_fen2的一端，所述低频开关Q_fen2的另一端连接第2个开关电容单元中的二极管D₂₁的阴极。

第2个开关电容单元中的二极管D₂₂的阳极连接低频开关Q_tong2的一端，所述低频开关Q_tong2的另一端连接第3个开关电容单元中的二极管D₃₁的阴极。第2个开关电容单元中的二极管D₂₂的阳极连接低频开关Q_fen3的一端，所述低频开关Q_fen3的另一端连接第3个开关电容单元中的二极管D₃₁的阳极。第2个开关电容单元中的二极管D₂₂的阴极连接低频开关Q_fen4的一端，所述低频开关Q_fen4的另一端连接第3个开关电容单元中的二极管D₃₁的阴极。

本实施例中，3个开关电容单元对应3个供电单元：第1个供电单元中的电压源U_in1所输出的电压加在所述第1个开关电容单元中的有源开关管S1的两端、第2个供电单元中的电压源U_in2所输出的电压加在所述第2个开关电容单元中的有源开关管S₂的两端、第3个供电单元中的电压源U_in3所输出的电压加在所述第3个开关电容单元中的有源开关管S₃的两端。每一个供电单元中还包括一个低频开关和一个电感：第1个供电单元中的电压源U_in1的正极依次串联低频开关T₁和电感L₁后，与有源开关管S₁的漏极连接；电压源U_in1的正极与有源开关管S₁的源极连接。第2个供电单元中的电压源U_in2的正极依次串联低频开关T₂和电感L₂后，与有源开关管S₂的漏极连接；电压源U_in2的正极与有源开关管S₂的源极连接。第3个供电单元中的电压源U_in3的正极依次串联低频开关T₃和电感L₃后，与有源开关管S₃的漏极连接；电压源U_in3的正极与有源开关管S₃的源极连接。

实施例2：

本实施例针对可再生能源联合并网发电系统，公开一种开关电容电压累加器（Switched-CapacitorVoltageAccumulator，SCVA），并在此基础上进一步提出一种变结构多输入高增益直流变换器（Variable-StructureHigh-GainMultiple-InputConverter,VSHG-MIC）拓扑。由该拓扑构成的可再生能源联合并网发电系统如图1所示。基于VSHG-MIC可实现多种可再生能源的联合供电，又能实现电压等级较低的太阳能等单独供电时高增益，VSHG-MIC电路的结构示意图如图2所示，在多种可再生能源联合供电时，VSHG-MIC电路与普通的MIC电路工作一样，相当于多个电压源的串联调制，能够实现对多个输入源能量分配和管理的控制，满足直流母线电压的工作要求；在电压等级较低的太阳能等单独供电时，利用同一套电路元件，通过一定的切换控制，改变电路的结构，使电路切换到一个单输入的高增益变换器，满足太阳能等并网发电时高增益的要求。

值得说明的是，VSHG-MIC电路拓扑的构成原则是：同一套电路元件，在良好的互易性及平等性的前提下，假以实施简单的辅助切换和连接器件及相应电路，既可多输入高增益工作也可单输入高增益工作，将不同结构有机集成到一个通用的可变结构中，以适应当前工作环境的改变。

实施例中，SCVA拓扑结构如图3～6所示，拓扑结构由若干个开关电容单元（Cell）（如图7所示）构成，其中两个电容的规格参数相同，两个二极管的规格参数也相同，即第j个（每一个）开关电容单元包括二极管D_j1和二极管D_j2相同、电容C_j1和电容C_j2相同，j=1、2……n。由此构成一种半对称结构，因而这两个电容上的端电压相等。按照开关电容单元之间的连接方式，可以将SCVA分为若干种电路拓扑结构：

（1）并联型SCVA：所有开关电容单元之间互相并联，可得到实现分时供电的SCVA电路拓扑，即任意时刻只有一个供电单元工作，如图3所示（只给出U_in1单独供电时的电路拓扑）。

（2）串并联型SCVA：以两个开关电容单元串联接入和三个开关电容单元串联接入为例进行阐述。①两个开关电容单元串联接入，可得到实现两个供电单元同时工作的SCVA电路拓扑，如图4所示；②三个开关电容单元串联接入，可得到实现三个供电单元同时工作的SCVA电路拓扑，如图5所示。

（3）串联型SCVA：所有开关电容单元之间互相串联，可得到实现同时供电的SCVA电路拓扑，即任意时刻N个供电单元（即所有供电单元）同时工作，如图6所示。

为了更详细地阐述基于SCVA的变结构多输入高增益直流变换器的工作原理，本实施例以实施例1所公开的变结构三输入高增益直流变换器为例（如图8所示）。根据开关电容单元的半对称性，每个单元中两个电容电压相等，因此每个开关电容单元中电容电压均用相同的电压符号标识，分别为U_c1、U_c2、U_c3。低频开关Q_tong1、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2、Q_fen3、Q_fen4、T₁、T₂、T₃均为低频开关，构成变结构控制的关键环节。其中，控制Q_tong1、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2、Q_fen3、Q_fen4的导通与关断实现同时供电与分时供电的相互切换，控制T₁、T₂、T₃…的导通与关断实现各个供电单元的接入与断开。在分时供电模式下，任何时刻T₁、T₂、T₃中只有一个开关处于导通状态，即只有一个供电单元接入；在同时供电模式下，任何时刻T₁、T₂、T₃中任何两个或所有开关都处于导通状态，即有两个供电单元或所有供电单元全部接入。

（1）分时供电模式：当低频开关Q_tong1、Q_tong2关断且Q_fen1、Q_fen2、Q_fen3、Q_fen4导通时，变换器进入分时供电模式，所有开关电容单元互相并联，构成并联型SCVA。控制低频开关T₁、T₂、T₃并使得其中任何一个开关处于导通状态，即可实现分时供电功能，以供电单元3接入为例（T₁、T₂关断，T₃导通），其等效电路如图9所示。对其工作原理进行分析，可得分时供电时该变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{4}{1-D}{U}_{\mathrm{inj}}---(j=\mathrm{1,2,3}).$

该输出电压为Boost变换器输出电压的4倍。当任何一个供电单元工作时，其供电电压先通过对应的输入端口前级Boost电路实现升压，并通过每两个相邻开关电容单元之间的电容并联的方式将升压后的能量传递给其它所有网络，使得每个网络具有相同的电容电压，同时通过多个开关电容单元中的电容电压累加向输出端提供较大的直流电压。通过多个网络之间的能量传递与电容电压累加的方式，极大地提高了变换器的升压能力，且当任何一个供电单元独立工作时，所有开关电容单元都参与工作，减小了元器件电压应力，同时极大提高了电路的元器件利用率。

（2）同时供电模式：在变结构三输入高增益直流变换器中，任何时刻有两个或三个供电单元同时接入，该变换器即可进入同时供电模式。其中，当有两个供电单元同时接入时，有两个开关电容单元串联接入，构成另外一个开关电容单元并联接入，构成串并联型SCVA；当有三个供电单元同时接入时，三个开关电容单元均串联接入，构成串联型SCVA。具体工作模式分为以下五种情况：

①当T₁、T₂、Q_tong1、Q_fen3、Q_fen4导通且T₃、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2关断时，变换器等效电路如图10所示。此时，供电单元1和2同时工作，供电单元1的能量传递给开关电容单元1，供电单元2的能量同时传递给开关电容单元2和开关电容单元3。对其工作原理进行分析，可得该工作模式下变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{inl}}+\frac{3}{1-D}{U}_{\mathrm{in}2.}$

②当T₁、T₃、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2导通且T₂、Q_tong1、Q_fen3、Q_fen4关断时，变换器等效电路如图11所示。此时，供电单元1和3同时工作，供电单元1的能量同时传递给开关电容单元1和开关电容单元2，供电单元3的能量同时传递给开关电容单元3。对其工作原理进行分析，可得该工作模式下变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{3}{1-D}{U}_{\mathrm{inl}}+\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}3.}$

③当T₁、T₃、Q_tong1、Q_fen3、Q_fen4导通且T₂、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2关断时，变换器等效电路如图12所示。此时，供电单元1和3同时工作，供电单元1的能量传递给开关电容单元1，供电单元3的能量同时传递给开关电容单元3和开关电容单元2。对其工作原理进行分析，可得该工作模式下变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{inl}}+\frac{3}{1-D}{U}_{\mathrm{in}3.}$

④当T₂、T₃、Q_tong2、Q_fen1、Q_fen2导通且T₁、Q_tong1、Q_fen3、Q_fen4关断时，变换器等效电路如图13所示。此时，供电单元2和3同时工作，供电单元2的能量同时传递给开关电容单元2和开关电容单元1，供电单元3的能量同时传递给开关电容单元3。对其工作原理进行分析，可得该工作模式下变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}2}+\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}3.}$

⑤当T₁、T₂、T₃、Q_tong1、Q_tong2导通且Q_fen1、Q_fen2、Q_fen3、Q_fen4关断时，变换器等效电路如图14所示。此时，供电单元1、2和3同时工作，供电单元1的能量传递给开关电容单元1，供电单元2的能量传递给开关电容单元2，供电单元3的能量传递给开关电容单元3。对其工作原理进行分析，可得该工作模式下变换器的输出电压大小为：

$U_{\mathrm{dc}}=\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}1}+\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}2}+\frac{2}{1-D}{U}_{\mathrm{in}3.}$

综上所述，在同时供电模式下，变结构三输入高增益直流变换器的输出电压比分时供电模式下变换器输出电压略大，且随着供电单元数量的增加，输出电压增大。不同于分时供电模式，同时供电模式下该变换器是通过部分或所有开关电容单元串联和电容电压累加的方式实现升压作用的，具有联合供电和高增益输出的特性。同样地，由于所有开关电容单元都参与工作，且都向输出端提供能量，因而元器件利用率高。

对比分时供电模式和同时供电模式下的等效电路，可以看出：本实施例提出的基于开关电容电压累加器的变结构多输入高增益直流变换器能够用同一套电路元件，通过简单的切换，既实现了一个供电单元单独供电时的高增益输出，又实现了多个供电单元的联合供电，具有变结构、多输入、高增益的工作特性。

进一步地，对实施例1公开的系统进行性能分析：

一、输入电流纹波和开关器件电压应力

无论变换器工作于同时供电模式还是分时供电模式，其输入电流纹波都较小，为：

${\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{Lj}}=\frac{U_{\mathrm{inj}}}{2L_j}{\mathrm{DT}}_s---(j=\mathrm{1,2}...n).$

其中，U_inj指第j个供电单元，L_j指与第j个供电单元相连的电感。由式(7)可知，输入电流纹波都较小，从而降低了对外部滤波器的要求。

二、元器件电压应力

SCVA中的所有开关管和二极管电压应力都较小，具体分为以下两种情况来讨论：

（1）分时供电模式下，当第j个供电单元独立工作时，SCVA中所有开关管、二极管和电容的电压应力为：

$u_{\mathrm{vpS}}=u_{\mathrm{vpD}}=u_{\mathrm{vpC}}=\frac{1}{1-D}{U}_{\mathrm{inj}}---(j=\mathrm{1,2}...n),$

其中，U_inj是指第j个供电单元电压，u_vpS是指SCVA中所有开关管的电压应力，u_vpD是指SCVA中所有二极管的电压应力，u_vpC是指SCVA中所有电容的电压应力。

（2）同时供电模式下，U_inj是指与第j个开关电容单元相连接的供电单元电压，u_vpSj是指第j个开关电容单元中开关管的电压应力，u_vpDj是指第j个开关电容单元中两个二极管的电压应力，u_vpCj是指第j个开关电容单元中两个电容的电压应力，三者大小相等，为：

$u_{\mathrm{vpSj}}=u_{\mathrm{vpDj}}=u_{\mathrm{vpCj}}=\frac{1}{1-D}{U}_{\mathrm{inj}}---(j=\mathrm{1,2}...n).$

Claims (1)

1.一种变结构多输入高增益直流变换器，其特征在于：包括n个开关电容单元，n为大于1的自然数；

第j个开关电容单元包括二极管D_j1、二极管D_j2、电容C_j1和电容C_j2，其中，j＝1、2……n；二极管D_j1的阴极与电容C_j2的正极连接，电容C_j2的负极与二极管D_j2的阴极连接，二极管D_j1的阳极连接电容C_j1的正极，电容C_j1的负极与二极管D_j2的阳极连接；电容C_j1的正极与二极管D_j2阴极之间连接有源开关管S_j；所述有源开关管S_j的两端连接供电单元；

第1个开关电容单元中的二极管D₁₁的阴极与二极管D₀的阳极连接；所述二极管D₀的阴极串联电容C₀后，与第n个开关电容单元中的二极管D_n2的阳极连接；

第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阳极连接低频开关Q_tongk的一端，所述低频开关Q_tongk的另一端连接第k+1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阴极；第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阳极连接低频开关Q_fen(2k－1)的一端，所述低频开关Q_fen(2k－1)的另一端连接第k+1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阳极；第k个开关电容单元中的二极管D_k2的阴极连接低频开关Q_fen(2k)的一端，所述低频开关Q_{fen (2k)}的另一端连接第k+1个开关电容单元中的二极管D_(k+1)1的阴极；其中，k＝1、2……(n－1)。