CN104578781A - 一种光-蓄联合供电双输入buck电路 - Google Patents

一种光-蓄联合供电双输入buck电路 Download PDF

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Abstract

一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,包括BUCK脉冲电压源、输出滤波电路、充电电路和泄流电路,有效的实现新能源的优先利用,即供电时采用主从式的供电方式,第一直流输入源光伏电池PV为主能源,第二直流输入源蓄电池BAT为副能源,本发明采用这种有效的拓扑结构来实现多种能源的联合供电,保证供电质量。

Description

一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路
技术领域
[0001] 本发明涉及电力电子变换器技术领域,具体涉及一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路。
技术背景
[0002] 随着科技的发展,现有的化石能源将很快不能满足人们对能量的需求。所以,现在人们正在努力地开发新型可再生、无污染的能源,比如太阳能、风能、潮汐能、生物能等。但是这些新能源均受环境的制约,导致发出的电能不连续、不稳定,因此需要一种新能源联合供电系统的分布式发电系统,来保障系统所发出电能的质量。
[0003] 传统的新能源联合供电系统是在每种新能源的输出侧接一个DC/DC变换器,将新能源发电系统发出的电转换成稳定的直流电,汇入直流母线,给直流负载供电,或再经过DC/AC变换器转换成交流电并入电网或者给交流负载供电。但是这种供电系统结构复杂、成本较高,而且输入源不能同时供电,为了简化结构和降低成本,采用一个多输入的直流变换器来代替多个单输入的直流变换器,这种结构的变换器允许多个输入源同时或者单独供电,而且允许输入源的幅值、频率等特性有较大的差别。
发明内容
[0004] 为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提出一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,实现多种能源的联合供电,保证供电质量。
[0005] 为了达到上述目的,本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006] 一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,包括BUCK脉冲电压源、输出滤波电路、充电电路和泄流电路;
[0007] 所述的BUCK脉冲电压源包括第一直流输入源光伏电池PV(以下简称光伏电池PV)、防反二极管D、第一功率开关管Q1、第二直流输入源蓄电池BAT (以下简称蓄电池BAT)、第二功率开关管Q2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2;光伏电池PV的阳极与防反二极管D的阳极连接,防反二极管D的阴极与第一功率开关管Q1的漏极连接,第一功率开关管Q1的源极与第一续流二极管D i的阴极连接,第一续流二极管D i的阳极与光伏电池PV的阴极连接,蓄电池BAT的阳极与光伏电池PV的阴极、第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阴极连接,第二续流二极管D 2的阳极与第二开关管Q 2的漏极连接,第二功率开关管Q2的源极与蓄电池BAT的阴极连接;
[0008] 所述的输出滤波电路包括第一储能电感L1和滤波电容C,第一储能电感L i的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D i的阴极连接,第一储能电感L i的另一端与滤波电容C的一端、第一负载R1的一端连接,滤波电容C的另一端与第二功率开关管02的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R i的另一端连接;
[0009] 所述的充电电路包括第三功率开关管Q3、第二储能电感L2、第三续流二极管D3,第三功率开关管Q3的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第三功率开关管Q 3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L 2的一端连接,第三续流二极管D 3的阳极与第二直流输入源BAT的阴极连接,第二储能电感L2的另一端与光伏电池PV的阴极、蓄电池BAT的阳极连接;
[0010] 所述的泄流电路包括第四功率开关管Q4、泄流电阻R2,第四功率开关管Q4的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第四功率开关管Q4的源极和泄流电阻R2的一端连接,泄流电阻R2的另一端与光伏电池PV的阴极连接。
[0011] 所述的一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路的功率分配模式为:
[0012] 第一直流输入源PV为光伏电池,第二直流输入源BAT为蓄电池,第一直流输入源PV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,第二直流输入源BAT作为功率缓冲单元,进行功率的补充;
[0013] 当第一负载R1需求的功率大于第一直流输入源PV提供的功率时,第二直流输入源BAT放电,通过改变第二功率开关管Q2的占空比来调节第二直流输入源BAT的输出功率;
[0014] 当第一负载R1需求的功率小于第一直流输入源PV提供的功率且第二直流输入源BAT的电量不足时,通过改变第一功率开关管Q1的占空比调节第一直流输入源PV的输出功率,同时通过调节第三功率开关管93的占空比对第二直流输入源BAT进行充电;
[0015] 当第一负载R1需求的功率小于第一直流输入源PV提供的功率且第二直流输入源BAT的能量充足时,第一直流输入源PV所剩余的多余的能量通过泄流电阻R2消耗掉;
[0016] 当第一直流输入源PV由于天气原因不能提供功率输出时,此时由第二直流输入源BAT为系统供电,通过控制第二功率开关管Q2的占空比来调节第二直流输入源BAT的输出功率。
[0017] 与已有技术相比,本发明提供的光-蓄联合供电双输入BUCK电路具有以下有益效果:本发明可以有效的实现新能源的优先利用,即使用本系统供电时采用主从式的供电方式,第一直流输入源光伏电池PV为主能源,第二直流输入源蓄电池BAT为副能源。
附图说明
[0018] 图1为本发明的结构原理图。
[0019] 图2为本发明的控制系统结构框图。
[0020] 图3至图10为本发明的双输入BUCK直流变换器在不同开关模态下的工作电路。
[0021] 图11为本发明的光伏电池PV单独供电时的原理波形图。
[0022] 图12为本发明的光伏电池PV和蓄电池BAT同时供电时的原理波形图。
[0023] 图13为本发明的光伏电池PV供电、蓄电池BAT储能时的原理波形图。
[0024] 图14为本发明的光伏电池PV供电、泄放电路消耗光伏电池PV的剩余能量时的原理波形图。
[0025] 图15为本发明的蓄电池BAT单独供电时的原理波形图。
具体实施方式
[0026] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0027] 如图1所示,一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,包括BUCK脉冲电压源、输出滤波电路、充电电路和泄流电路;
[0028] 所述的BUCK脉冲电压源包括第一直流输入源光伏电池PV(以下简称光伏电池PV)、防反二极管D、第一功率开关管Q1、第二直流输入源蓄电池BAT (以下简称蓄电池BAT)、第二功率开关管Q2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2;光伏电池PV的阳极与防反二极管D的阳极连接,防反二极管D的阴极与第一功率开关管Q1的漏极连接,第一功率开关管Q1的源极与第一续流二极管D i的阴极连接,第一续流二极管D i的阳极与光伏电池PV的阴极连接,蓄电池BAT的阳极与光伏电池PV的阴极、第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D2的阴极连接,第二续流二极管D 2的阳极与第二开关管Q 2的漏极连接,第二功率开关管Q2的源极与蓄电池BAT的阴极连接;
[0029] 所述的输出滤波电路包括第一储能电感L1和滤波电容C,第一储能电感L i的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D i的阴极连接,第一储能电感L i的另一端与滤波电容C的一端、第一负载R1的一端连接,滤波电容C的另一端与第二功率开关管02的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R i的另一端连接;
[0030] 所述的充电电路包括第三功率开关管Q3、第二储能电感L2、第三续流二极管D3,第三功率开关管Q3的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第三功率开关管Q 3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L 2的一端连接,第三续流二极管D 3的阳极与第二直流输入源BAT的阴极连接,第二储能电感L2的另一端与光伏电池PV的阴极、蓄电池BAT的阳极连接;
[0031] 所述的泄流电路包括第四功率开关管Q4、泄流电阻R2,第四功率开关管Q4的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第四功率开关管Q4的源极和泄流电阻R2的一端连接,泄流电阻R2的另一端与光伏电池PV的阴极连接。
[0032] 如图2本发明的控制框图所示,在光-蓄联合供电双输入BUCK电路中选择主从控制方式分配两路输入源的输入功率,光伏电池PV作为主供电能源,蓄电池BAT作为辅助供电能源,符合新能源优先使用的要求,通过调节光伏电池PV的参考电压使光伏电池PV以最大功率输出,即实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking, MPPT);蓄电池BAT通过PI调节器进行能量的自动分配,当光伏电池PV的输出功率小于负载需求的功率时,通过逻辑电路的选择使得PI调节器的输出转化为第二功率开关管92的占空比,控制蓄电池BAT的放电功率;当光伏电池PV的输出功率大于负载需求的功率且蓄电池BAT的能量不足时,通过逻辑电路的选择使得PI调节器的输出转化为第三功率开关管03的占空比,控制光伏电池PV对蓄电池BAT的充电;当光伏电池PV的输出功率大于负载需求的功率且蓄电池BAT不需要充电时,通过逻辑电路的选择使得PI调节器的输出转化为第四功率开关管04的占空比,将光伏电池PV多余的能量泄放掉。
[0033] 下面结合附图对本发明电路的工作原理进行具体的描述,在描述之前,先做如下假设: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。根据功率开关管Qi〜Q4的开关状态,可将变换器分为以下六种工作模态。
[0034] 1、开关模态1:如图3所示,第一功率开关管Q1开通,第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4关断,电感L1从光伏电池PV中汲取能量,电感电流ih增大,电流通路为PV-D-Q1-L-R-D2O
[0035] 2、开关模态I1:如图4所示,第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2开通,第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4关断,电感L i从光伏电池PV和蓄电池BAT中汲取能量,电感电流IL1增大,电流通路为PV-D-Q !-L1-R-Q2-BATο
[0036] 3、开关模态II1:如图5所不,第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3开通,第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4关断,电感L L 2都从光伏电池PV中汲取能量,电感电流iLjP江2都增大,电流通路分别为:PV-D-Q「LrR-02和PV_Q3_L2。
[0037] 4、开关模态IV:如图6所不,第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4开通,第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3关断,电感L i从光伏电池PV中汲取能量,电感电流iL #曾大,泄放电阻R2耗能。电流通路分别为:PV-D-Q ^L1-R-DjP PV-D-Q 4-R2。
[0038] 5、开关模态V:如图7所示,第二功率开关管Q2开通,第一功率开关管Q i,第三功率开关管Q3,第四功率开关管Q4关断,电感L i从蓄电池BAT中汲取能量,电感电流iL i增大。电流通路为^AT-D1-L1-R-Q2 ο
[0039] 6、开关模态V1:如图8所示,在不给蓄电池BAT充电的情况下,第一功率开关管%、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4关断,电感L 1通过电容C,负载札和二极管D 1、D2续流,电感电流iL i减小,电流通路为L ^R-D2-Dp
[0040] 7、开关模态VI1:如图9所示,在蓄电池BAT储能的情况下,第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4关断,电感L 1通过电容C,负载R I和二极管D^D2续流,电感电流iL i减小,电流通路为L !-R-D2-D1;电感L 2通过蓄电池BAT和二极管D3续流,电感电流iL 2减小,电流通路为L 2-BAT-D3o
[0041] 8、开关模态VII1:如图10所示,在泄放电路泄放光伏电池多余能量时,第四功率开关管Q4开通,第一功率开关管Q工、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3关断,电感L工通过电容C,负载RjP二极管D 1、D2续流,电感电流减小,电流通路为L「R-D2-D1;负载R2消耗掉光伏电池PV的剩余能量,电流通路为PV-Q4-R2。
[0042] 由上述分析可知,以光伏电池PV和蓄电池BAT作为两个输入电压源,根据电路中能量的传递,该双输入BUCK变换器存在5种工作模式:
[0043] 一、光伏电池PV单独供电,电路工作时序为1、VI模态,变换器原理波形如图11所示,电感电流iV_大于零;
[0044] 二、光伏电池PV和蓄电池BAT同时供电,电路工作时序为I1、VI模态,变换器原理波形如图12所示,第一储能电感电流iV®大于零;
[0045] 三、光伏电池PV单独供电,蓄电池BAT储能,电路工作时序为II1、VII模态,变换器原理波形如图13所示,第一储能电感电流iV®大于零,第二储能电感电流iL2恒大于零。
[0046] 四、光伏电池PV单独供电,并通过泄放电路泄放多余的能量,电路工作时序为IV、VIII模态,变换器原理波形如图14所示,第一储能电感电流IL1恒大于零。
[0047] 五、蓄电池单独供电,电路工作时序为V、VI模态,变换器原理波形如图15所示,第一储能电感电流iLl恒大于零。

Claims (2)

1.一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,包括BUCK脉冲电压源、输出滤波电路、充电电路和泄流电路,其特征在于: 所述的BUCK脉冲电压源包括第一直流输入源光伏电池PV (以下简称光伏电池PV)、防反二极管D、第一功率开关管Q1、第二直流输入源蓄电池BAT (以下简称蓄电池BAT)、第二功率开关管Q2、第一续流二极管D1、第二续流二极管D2;光伏电池PV的阳极与防反二极管D的阳极连接,防反二极管D的阴极与第一功率开关管Q1的漏极连接,第一功率开关管Q i的源极与第一续流二极管阴极连接,第一续流二极管D i的阳极与光伏电池PV的阴极连接,蓄电池BAT的阳极与光伏电池PV的阴极、第一续流二极管D1的阳极和第二续流二极管D 2的阴极连接,第二续流二极管D2的阳极与第二开关管Q 2的漏极连接,第二功率开关管Q 2的源极与蓄电池BAT的阴极连接; 所述的输出滤波电路包括第一储能电感L1和滤波电容C,第一储能电感L i的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D i的阴极连接,第一储能电感L ^勺另一端与滤波电容C的一端、第一负载R1的一端连接,滤波电容C的另一端与第二功率开关管Q 2的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R i的另一端连接; 所述的充电电路包括第三功率开关管Q3、第二储能电感L2、第三续流二极管D3,第三功率开关管Q3的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第三功率开关管Q 3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L 2的一端连接,第三续流二极管D 3的阳极与第二直流输入源BAT的阴极连接,第二储能电感L2的另一端与光伏电池PV的阴极、蓄电池BAT的阳极连接;所述的泄流电路包括第四功率开关管Q4、泄流电阻R2,第四功率开关管Q4的漏极与光伏电池PV的阳极连接,第四功率开关管Q4的源极和泄流电阻R2的一端连接,泄流电阻1?2的另一端与光伏电池PV的阴极连接。
2.根据权利要求1所述的一种光-蓄联合供电双输入BUCK电路,其特征在于,功率分配模式为: 第一直流输入源PV为光伏电池,第二直流输入源BAT为蓄电池,第一直流输入源PV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,第二直流输入源BAT作为功率缓冲单元,进行功率的补充; 当第一负载R1需求的功率大于第一直流输入源PV提供的功率时,第二直流输入源BAT放电,通过改变第二功率开关管Q2的占空比来调节第二直流输入源BAT的输出功率; 当第一负载R1需求的功率小于第一直流输入源PV提供的功率且第二直流输入源BAT的电量不足时,通过改变第一功率开关管占空比调节第一直流输入源PV的输出功率,同时通过调节第三功率开关管93的占空比对第二直流输入源BAT进行充电; 当第一负载R1需求的功率小于第一直流输入源PV提供的功率且第二直流输入源BAT的能量充足时,第一直流输入源PV所剩余的多余的能量通过泄流电阻R2消耗掉; 当第一直流输入源PV由于天气原因不能提供功率输出时,此时由第二直流输入源BAT为系统供电,通过控制第二功率开关管Q2的占空比来调节第二直流输入源BAT的输出功率。
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