CN104578781B - 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
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
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。
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
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。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
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；
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D1的阴极连接，第一续流二极管D1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D2的阳极与第二开关管Q2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；
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L1的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D1的阴极连接，第一储能电感L1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Q2的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R1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Q3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L2的一端连接，第三续流二极管D3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的漏极与防反二极管D的阴极、第一功率开关管Q1的漏极连接，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。
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：
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Q3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。
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
图1为本发明的结构原理图。
图2为本发明的控制系统结构框图。
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。
图11为本发明的光伏电池PV单独供电时的原理波形图。
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。
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。
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。
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
下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
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；
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D1的阴极连接，第一续流二极管D1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D2的阳极与第二开关管Q2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；
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L1的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D1的阴极连接，第一储能电感L1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Q2的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R1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Q3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L2的一端连接，第三续流二极管D3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的漏极与防反二极管D的阴极、第一功率开关管Q1的漏极连接，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。
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Q2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Q3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Q4的占空比，将光伏电池PV多余的能量泄放掉。
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Q1～Q4的开关状态，可将变换器分为以下六种工作模态。
1、开关模态I：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iL1增大，电流通路为PV-D-Q1-L-R1-D2。
2、开关模态II：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L1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-Q1-L1-R1-Q2-BAT。
3、开关模态III：如图5所示，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L1和L2都从光伏电池PV中汲取能量，电感电流iL1和iL2都增大，电流通路分别为：PV-D-Q1-L1-R1-D2和PV-Q3-L2。
4、开关模态IV：如图6所示，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L1从光伏电池PV中汲取能量，电感电流iL1增大，泄放电阻R2耗能。电流通路分别为：PV-D-Q1-L1-R1-D2和PV-D-Q4-R2。
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Q1，第三功率开关管Q3，第四功率开关管Q4关断，电感L1从蓄电池BAT中汲取能量，电感电流iL1增大。电流通路为：BAT-D1-L1-R1-Q2。
6、开关模态VI：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L1通过电容C，负载R1和二极管D1、D2续流，电感电流iL1减小，电流通路为L1-R1-D2-D1。
7、开关模态VII：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L1通过电容C，负载R1和二极管D1、D2续流，电感电流iL1减小，电流通路为L1-R1-D2-D1；电感L2通过蓄电池BAT和二极管D3续流，电感电流iL2减小，电流通路为L2-BAT-D3。
8、开关模态VIII：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Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3关断，电感L1通过电容C，负载R1和二极管D1、D2续流，电感电流减小，电流通路为L1-R1-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。
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：
一、光伏电池PV单独供电，电路工作时序为I、VI模态，变换器原理波形如图11所示，电感电流iL1恒大于零；
二、光伏电池PV和蓄电池BAT同时供电，电路工作时序为II、VI模态，变换器原理波形如图12所示，第一储能电感电流iL1恒大于零；
三、光伏电池PV单独供电，蓄电池BAT储能，电路工作时序为III、VII模态，变换器原理波形如图13所示，第一储能电感电流iL1恒大于零，第二储能电感电流iL2恒大于零。
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。
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iL1恒大于零。

Claims (1)

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Q1的源极与第一续流二极管D1的阴极连接，第一续流二极管D1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D2的阳极与第二开关管Q2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；
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L1的一端与第一功率开关管Q1的源极、第一续流二极管D1的阴极连接，第一储能电感L1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Q2的漏极、第二续流二极管D2的阳极、第一负载R1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Q3的源极与第三续流二极管D3的阴极、第二滤波电感L2的一端连接，第三续流二极管D3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的漏极与防反二极管D的阴极、第一功率开关管Q1的漏极连接，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；
所述的光-蓄联合供电双输入BUCK电路功率分配模式为：
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Q3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；
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L1和L2都从光伏电池PV中汲取能量，电感电流iL1和iL2都增大，电流通路分别为：PV-D-Q1-L1-R1-D2和PV-Q3-L2，实现光伏电池PV单独供电，蓄电池BAT储能。
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