CN104901303A - 基于双向Cuk电路的电压平衡器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于双向Cuk电路的电压平衡器，其包括直流链路、双向Cuk变换器、输出滤波电路、负载，直流链路依次连接双向Cuk变换器、输出滤波电路、负载。本发明实现直流微网双极性母线的配电形式，以方便不同电压等级负载的接入，提高电能使用效率，同时解决母线与中性线之间的负载不平衡问题。

Description

基于双向Cuk电路的电压平衡器

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术、电力电子变换器的控制技术和分布式供电技术领域，特别是涉及一种基于双向Cuk电路的电压平衡器，用于构造中性线和解决母线与中性线之间的负载不平衡问题，属于直流/直流变换器领域。

背景技术

微网是一种有效利用分布式电源的配电形式，随着分布式电源（如太阳能电池、燃料电池、风力机、燃气轮机和沼气发电等）的发展，有关微电网系统的研究引起了诸多学术机构的重视。由于以风能和太阳能为代表的可再生分布式电源可控性差，随机波动性强，通过微网的形式接入大电网一方面增强了分布式电源的可控性，减小了将分布式电源直接接入大电网而产生的不稳定性，使分布式电源的应用更加灵活高效；另一方面为改善电能质量，提高供电的可靠性提供了巨大潜力。

相比于交流微网，直流微网由于更加方便于分布式电源的接入（多数分布式电源产生的电能为直流电或可经过简单整流后变为直流电），由于不存在分布式电源间的同步和无功功率流动等问题，且更加高效节能，而逐渐引起了更多国内外学者的关注。

在直流微网中有各种形式的负载，这些负载可以直接接入直流母线或者通过不同形式的变换器接入直流母线，为了便于不同电压等级负载的接入，可以采用双极性直流母线的配电形式。为了满足双极性直流母线供电需要，通常在直流电网进入用户时会接入一个独立的电压平衡器来构造一根中性线，以三线制的配电形式进入用户端，以提高直流微网的灵活性、安全性和可靠性。

因此，研究和发明将单极性母线配电形式转换为双极性母线配电形式的电压平衡器是十分必要的。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于双向Cuk电路的电压平衡器，其实现直流微网双极性母线的配电形式，以方便不同电压等级负载的接入，提高电能使用效率，同时解决母线与中性线之间的负载不平衡问题。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：一种基于双向Cuk电路的电压平衡器，包括直流链路、双向Cuk变换器、输出滤波电路及负载，直流链路依次连接双向Cuk变换器、输出滤波电路、负载。

优选地，所述直流链路包括正电势链路、负电势链路和解耦电容，解耦电容的阳极和阴极分别跨接在正电势链路和负电势链路上。

优选地，所述双向Cuk变换器由Boost电路、Buck电路以及能量传输电容组成；所述Boost电路由第一电感、第一开关管和第一二极管组成；所述Buck电路由第二电感、第二开关管和第二二极管组成；所述第一电感一端与正电势链路相连，第一电感的另一端与第一开关管的漏极对接，第一开关管和第一二极管反向并联；所述第二电感一端与负电势链路相连，第二电感的另一端与第二开关管的源极对接，第二开关管和第二二极管反向并联；能量传输电容的阳极与第一开关管的漏极相连，能量传输电容的阴极与第二开关管的源极相连。

优选地，所述输出滤波电路包括第一滤波电容和第二滤波电容，第一滤波电容的阳极挂接在正电势链路上，第二滤波电容的阴极挂接在负电势链路上。

优选地，所述负载包括两类负载平衡性负载、第一负载和第二负载，所述平衡性负载挂接在正负极性母线上，第一负载挂接在正电势链路与中性线之间，第二负载挂接在负电势链路与中性线之间。

优选地，所述第一开关管和第二开关管采用互补PWM驱动方式。

与现有技术相比，本发明主要技术特点和优点是：本发明电压平衡器具有高度的对称性，方便基于小信号建模的动态特性分析，便于对应控制器的设计；本发明平衡器的输入和输出电流都连续，所引起的的直流链路脉动较小，进而可以减小直流链路上解耦电容大小，减小滤波电容的大小，本发明电压平衡器采用电容实现能量的传输，可以提高能量转换效率。本发明适用于直流微电网的配电系统，也适用于舰船和飞机上的双极型母线配电供电系统。

附图说明

图1为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器主电路图。

图2（a）和图2（b）为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  > R ₂且电感电流恒大于零模式的等效电路图。

图3为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  > R ₂且电感电流恒大于零模式下的主要工作原理波形图。

图4（a）至图4（d）为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  > R ₂且电感电流平均值大于零（有正反向电流）模式的等效电路图。

图5为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  > R ₂且电感电流平均值大于零（有正反向电流）模式下的主要工作原理波形图。

图6（a）至图6（d）为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  < R ₂且电感电流平均值小于零（有正反向电流）模式的等效电路图。

图7为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  < R ₂且电感电流平均值小于零（有正反向电流）模式下的主要工作原理波形图。

图8（a）和图8（b）为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  < R ₂且电感电流恒小于零模式的等效电路图。

图9为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器不平衡性负载R ₁  < R ₂且电感电流恒小于零模式的主要工作原理波形图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例，对本发明做详细说明。

如图1所示，本发明基于双向Cuk电路的电压平衡器是在直流微电网系统中实现双极性母线配电形式的电能变换装置，本发明包括直流链路1、双向Cuk变换器2、输出滤波电路3、负载4（包含平衡性负载和不平衡性负载），直流链路1依次连接双向Cuk变换器2、输出滤波电路3、负载4。

所述直流链路包括正电势链路DC+、负电势链路DC-和解耦电容C，解耦电容C的阳极和阴极分别跨接在正电势链路DC+和负电势链路DC-上。所述双向Cuk变换器由Boost电路、Buck电路以及能量传输电容C ₀组成；所述Boost电路由第一电感L ₁、第一开关管S₁和第一二极管D ₁组成；所述Buck电路由第二电感L ₂、第二开关管S₂和第二二极管D ₂组成；所述第一电感L ₁一端与链路DC+相连，第一电感L ₁的另一端与第一开关管S₁的漏极对接，第一开关管S₁和第一二极管D ₁反向并联；所述第二电感L ₂一端与负电势链路DC-相连，第二电感L ₂的另一端与第二开关管S₂的源极对接，第二开关管S₂和第二二极管D ₂反向并联。能量传输电容C ₀的阳极与第一开关管S₁的漏极相连，能量传输电容的阴极与第二开关管S₂的源极相连。所述输出滤波电路包括第一滤波电容C ₁和第二滤波电容C ₂，第一滤波电容C ₁的阳极挂接在正电势链路DC+上，第二滤波电容C ₂的阴极挂接在负电势链路DC-上。所述双向Cuk变换器的公共端（第一开关管S₁的源极或第二开关管S₂的漏极）与输出滤波电路的电容公共端连接构成中性线L _N，由此结合正电势链路DC+和负电势链路DC-母线就构成了双极性母线的配电形式。所述负载包括两类负载：平衡性负载（R）与不平衡性负载（第一负载R ₁和第二负载R ₂），所述平衡性负载R挂接在正负极性母线上（即链路DC+与DC-之间），第一负载R ₁挂接在正电势链路DC+与中性线L _N之间，第二负载R ₂挂接在负电势链路DC-与中性线L _N之间。

下面结合图2至图9叙述本优选实施例的具体工作原理：（由于基于双向Cuk电路的电压平衡器是一个高阶直流变换器，其具有复杂的潜在电路工作模式，经过分析可知：1、第一开关管S₁和第二开关管S₂采用互补PWM驱动方式，可以简化该发明的工作模式，这使得第一开关管S₁和第二开关管S₂在负载不平衡程度较小时可以实现零电压开通，以减小开关损耗；2、取电感L ₁= L ₂且能量传输电容C ₀足够大（理性情况下）时可以进一步简化该发明变换器的工作模态。因此该优选实施例采用以上两个条件）

如图2所示，当第一负载R ₁  > 第二负载R ₂，且电感电流恒大于零模式的等效电路图。其中图2（a）为第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断时的等效电路图；其中图2（b）为第一开关管S₁关断，第二开关管S₂开通时的等效电路图。第一开关管S₁导通，第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性上升，第一电感L ₁从直流链路获取能量，第二电感L ₂从能量传输电容C ₀获取能量，这一过程对应图3的t ₀-t ₂时刻。第二开关管S₂导通，第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性下降，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第一电感和直流链路获取能量，这一过程对应图3的t ₂-t ₄时刻。其中t ₀-t ₁时刻，第一滤波电容C ₁被充电，第一滤波电容C ₁向第二负载R ₂放电，其中t ₂-t ₃时刻，第一滤波电容C ₁向第一负载R ₁放电，第一滤波电容C ₁被充电。

图4为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器，第一负载R ₁  > 第二负载R ₂，且电感电流平均值大于零（有正反向电流）模式的等效电路图。其中图4（a）为第一开关管S₁导通、第二开关管S₂关断时的等效电路图，对应图5所示的t ₁-t ₃时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性上升，第一电感L ₁从直流链路获取能量，第二电感L ₂从能量传输电容C ₀获取能量。其中图4（b）为第一开关管S₁关断、第二开关管S₂开通（电感通过第二二极管D ₂续流）时的等效电路图，对应图5所示的t ₃-t ₅时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性下降，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第一电感和直流链路获取能量。其中图4（c）为第一开关管S₁关断、第二开关管S₂导通时的等效电路图，对应图5所示的t ₅-t ₆时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流从零反向线性上升，第一电感L ₁通过能量传输电容C ₀获取能量，第二电感L ₂从第二滤波电容C ₂获取能量。其中图4（d）为第一开关管S₁开通、第二开关管S₂关断（电感通过第一二极管D ₁续流）时的等效电路图，对应图5所示的t ₀-t ₁时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流反向线性下降到零，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第二电感L ₂获取能量。

图6为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器，第一负载R ₁  <第二负载R ₂，且电感电流平均值小于零（有正反向电流）模式的等效电路图。其中图6（a）为第一开关管S₁关断、第二开关管S₂导通时的等效电路图，对应图7所示的t ₄-t ₆时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流从零反向线性上升，第一电感L ₁通过能量传输电容C ₀获取能量，第二电感L ₂从滤波电容C ₂获取能量。其中图6（b）为第一开关管S₁开通、第二开关管S₂关断（电感通过第一二极管D ₁续流）时的等效电路图，对应图7所示的t ₀-t ₂时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流反向线性下降到零，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第二电感L ₂获取能量。其中图6（c）为第一开关管S₁导通、第二开关管S₂关断时的等效电路图，对应图7所示的t ₂-t ₃时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流从零正向线性上升，第一电感L ₁通过能量传输电容C ₀获取能量，第二电感L ₂从第二滤波电容C ₂获取能量。其中图6（d）为第一开关管S₁关断、第二开关管S₂开通（电感通过第二二极管D ₂续流）时的等效电路图，对应图7所示的t ₃-t ₄时刻，在这一过程中第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性下降，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第一电感和直流链路获取能量。

图8为本发明的基于双向Cuk电路的电压平衡器，不平衡性负载R ₁  < R ₂，且电感电流恒小于零模式的等效电路图。其中图8（a）为第一开关管S₁关断，第二开关管S₂导通时的等效电路图；其中图8（b）为第一开关管S₁开通，第二开关管S₂关断时的等效电路图。第二开关管S₂导通，第一电感L ₁和第二电感L ₂电流反向线性上升，第一电感L ₁从能量传输电容C ₀获取能量，第二电感L ₂从直流链路中获取能量，这一过程对应图3的t ₂-t ₄时刻。开关管S₂关断，第一电感L ₁和第二电感L ₂电流线性下降，第一电感L ₁和第二电感L ₂均释放能量，能量传输电容C ₀从第二电感L ₂获取能量，第一电感L ₁向直流链路回馈能量。

本发明采用电压外环和电流内环的控制方式，电压外环的给定参考值为零，对应的外环反馈变量为正电势链路DC+与中性线L _N之间的电压和中性线L _N与负电势链路DC-之间电压差值，这使得正负极性母线电压的平衡不受直流链路电压变化的影响。

本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的技术人员可以根据本发明公开的内容进行多种实施方式。应理解上述实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，其包括直流链路、双向Cuk变换器、输出滤波电路、负载，直流链路依次连接双向Cuk变换器、输出滤波电路、负载。

2.根据权利要求1所述的基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，所述直流链路包括正电势链路、负电势链路和解耦电容，解耦电容的阳极和阴极分别跨接在正电势链路和负电势链路上。

3.根据权利要求2所述的基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，所述双向Cuk变换器由Boost电路、Buck电路以及能量传输电容组成；所述Boost电路由第一电感、第一开关管和第一二极管组成；所述Buck电路由第二电感、第二开关管和第二二极管组成；所述第一电感一端与正电势链路相连，第一电感的另一端与第一开关管的漏极对接，第一开关管和第一二极管反向并联；所述第二电感一端与负电势链路相连，第二电感的另一端与第二开关管的源极对接，第二开关管和第二二极管反向并联；能量传输电容的阳极与第一开关管的漏极相连，能量传输电容的阴极与第二开关管的源极相连。

4.根据权利要求2所述的基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，所述输出滤波电路包括第一滤波电容和第二滤波电容，第一滤波电容的阳极挂接在正电势链路上，第二滤波电容的阴极挂接在负电势链路上。

5.根据权利要求2所述的基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，所述负载包括两类负载平衡性负载、第一负载和第二负载，所述平衡性负载挂接在正负极性母线上，第一负载挂接在正电势链路与中性线之间，第二负载挂接在负电势链路与中性线之间。

6.根据权利要求2所述的基于双向Cuk电路的电压平衡器，其特征在于，所述第一开关管和第二开关管采用互补PWM驱动方式。