CN106026646A - 一种非隔离三端口dc-dc变换器及其使用方法 - Google Patents

一种非隔离三端口dc-dc变换器及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非隔离三端口DC‑DC变换器及其使用方法，该变换器应用于光伏电池/蓄电池/直流微网中，设有光伏电池PV、蓄电池BT、直流母线DC三个端口，包括两个升压电路和一个升降压电路，一个升压电路用于连接光伏电池和直流母线，一个升压电路用于连接光伏电池PV和蓄电池BT，升降压电路用于连接蓄电池BT和直流母线DC；具体电路组成是：光伏电池PV的正极接电感L1后引出三条支路，第一条支路接开关管S1的漏极，开关管S1的源极接地；第二条支路接二极管D1的正极，二极管D1负极与直流母线DC相连；第三条支路接二极管D2的正极，二极管D2的负极接开关管S4的漏极，开关管S4的源极接蓄电池BT的正极；蓄电池BT的正极同时串联电感L2后引出两条支路，一条支路接开关管S2的漏极。

Description

一种非隔离三端口DC-DC变换器及其使用方法
技术领域
本发明涉及电力电子能量转换技术领域，具体为一种非隔离三端口DC-DC变换器。该变换器应用于光伏电池/蓄电池/直流微网中。
背景技术
随着化石能源的日益短缺和环境污染问题日益严重，新能源越来越受到青睐，已成为当前研究的热点。新能源发电具有间歇性和随机性，即输出功率不稳定，从而难以大规模开发利用。含蓄电池和多微源的微电网是新能源大规模开发应用的有效途径和形式。
太阳能作为一种绿色可再生资源，光伏发电是其主要的应用形式，光伏发电并网是太阳能大规模应用的主要途径，光伏发电、蓄电池、直流负载等以连网方式组建直流微电网，可提高光伏发电的规模、应用效率和供电稳定性。为了实现能量在光伏电池/蓄电池/直流母线间流动，需要多种能量转换装置，采用多个传统的直流变换器，例如Buck电路等，可发挥各个变换器端口的功率变换单元之间相互独立、拓展方便、控制灵活的优点以实现光伏直流微网中能量流动和功率流动控制，但是使用多个不同功能变换器会导致开关器件数量多，系统集成度不高，体积大，质量重，效率低。现有的三端口DC-DC变换器主要适用于航空航天、电动汽车和负载等应用场景，例如：[1]李芳,游小杰,李艳.航天用非隔离集成三端口变换器的建模与控制系统设计[J].电工技术学报,2014,29(1):291-300.和[2]Z.HZhou,H.F Wu,X.D Ma,Y Xing,"A non-isolated three-port converter for stand-alone renewable power system,"in IECON 2012-38TH Annual conference IEEEIndustrial Electronics Society pp.3352-3357中所介绍的三端口变换器只能用于光伏电池、蓄电池、负载的应用场景。以上文献的变换器不能直接应用于光伏电池/蓄电池/直流微网系统中。因为直流母线相当于直流电源，直流母线与蓄电池间存在双向功率流动，而该变换器功率流动不适用于此工况。
发明内容
针对现有技术中光伏直流微电网能量流动和控制方面存在的不足，本发明拟解决的技术问题是，提出一种非隔离三端口DC-DC变换器，该变换器是三端口的，具有集成度高、变换效率高、成本低等优点，能够克服使用多个传统变换器中存在的器件多、装置体积大、效率低下的问题，并能实现能量从直流母线端到蓄电池方向能量的流动，适用于直流微网中光伏电池/蓄电池/直流母线间的功率流动。
本发明的技术方案是：
一种非隔离三端口DC-DC变换器，该变换器应用于光伏电池/蓄电池/直流微网中，设有光伏电池PV、蓄电池BT、直流母线DC三个端口，包括两个升压电路和一个升降压电路，一个升压电路用于连接光伏电池和直流母线，一个升压电路用于连接光伏电池PV和蓄电池BT，升降压电路用于连接蓄电池BT和直流母线DC；具体电路组成是：光伏电池PV的正极接电感L1后引出三条支路，第一条支路接开关管S1的漏极，开关管S1的源极接地；第二条支路接二极管D1的正极，二极管D1负极与直流母线DC相连；第三条支路接二极管D2的正极，二极管D2的负极接开关管S4的漏极，开关管S4的源极接蓄电池BT的正极；蓄电池BT的正极同时串联电感L2后引出两条支路，一条支路接开关管S2的漏极，开关管S2的源极接地；另一条支路接开关管S3的源极，开关管S3的漏极接直流母线DC；光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的负极均共接地，开关管S1～开关管S4的栅极均与相应的控制信号连接，在光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的正负极两端均并联一个RC串联电路。
一种上述的非隔离三端口DC-DC变换器的使用方法，具有五种工作模式，具体如下：
模式一：光伏电池PV同时向蓄电池BT和直流母线DC供电，
关断开关管S2和开关管S3，蓄电池BT工作于充电状态，以开关管S1和开关管S4的占空比作为两个独立的控制变量控制功率传递，通过控制开关管S4的占空比实现传递功率在蓄电池BT和直流母线DC间功率的分配，通过控制开关管S1的占空比控制光伏电池PV的输入功率；
模式二：光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，
关断开关管S3和开关管S4，蓄电池BT工作于放电状态，光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，通过控制开关管S1和开关管S2的占空比完成光伏电池PV和蓄电池BT这两个输入源输入功率的分配控制；光伏电池PV的输入功率由开关管S1的占空比控制，蓄电池BT的输入功率由开关管S2的占空比控制；
模式三：蓄电池BT单独向直流母线DC供电，
关断开关管S1、开关管S3和开关管S4，光伏电池PV输入功率为零，蓄电池工作于放电状态，蓄电池BT单独向直流母线DC供电，通过控制开关管S2的占空比控制蓄电池功率输出的大小；
模式四：光伏电池PV和直流母线DC向蓄电池BT充电，
开关管S2关断，光伏电池PV与直流母线DC给蓄电池BT充电，蓄电池工作于充电状态；开关管S1导通时，光伏电池PV向电感L1充电，当关断开关管S1，导通开关管S4时，光伏电池PV向蓄电池BT充电，开关管S4导通，二极管D1截止，光伏电池PV不能向直流母线DC输送功率；通过调节开关管S1和开关管S4的占空比和开通时间阻止电感L1放电时向直流母线DC输送功率；
模式五：直流母线DC单独向蓄电池BT供电，
开关管S1、开关管S2和开关管S4均关断，开关管S3导通，光伏电池PV输出功率为零，直流母线DC单独向蓄电池BT储能供电，通过控制开关管S3的占空比控制直流母线DC向蓄电池BT传输功率大小。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明采用光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC，三者之间共地连接，且均为非隔离变换，相对于隔离型效率高，两两端口之间的效率可达到90％以上。
2、本发明变换器具有五种工作模式，适用于光伏电池/蓄电池/直流母线功率流动工况。当直流微网系统功率充足时，光伏电池可以将多余的功率提供给蓄电池；当直流微网系统功率不足时，蓄电池可以补充剩余所缺功率；当直流微网系统功率过剩时，又可以反向给蓄电池充电；当光伏电池功率为零时，蓄电池与直流母线之间也可单独传送功率。
3、本发明中光伏电池PV、蓄电池BT、直流母线DC的功率分别由不同的开关管控制，调整开关管的占空比可以控制端口的电压和功率。
4、本发明通过共用开关管、二极管、电感等器件，减少了变换器器件数量和系统体积，降低了生产成本，且有利于提高系统转换效率，提升集成度和可靠性高，可适用于当下热门的微网中。
本发明中的变换器适用于光伏直流微网，当微网中功率过多时可以反向向蓄电池充电。在蓄电池和直流微网间连接升降压电路，通过此电路蓄电池端可以向直流母线放电，直流母线端也可以反向向蓄电池充电，且光伏电池和直流母线可以同时向蓄电池充电。
附图说明
图1为本发明非隔离三端口DC-DC变换器的整体结构电路图；
图2为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作于模式一的等效电路图；
图3为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作于模式二的等效电路图；
图4为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作于模式三的等效电路图；
图5为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作于模式四的等效电路图；
图6为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作于模式五的等效电路图；
图7为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作为模式一时电感电流波形图；
图8为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作为模式二时电感电流波形图；
图9为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作为模式三时电感电流波形图；
图10为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作为模式四时电感电流波形图；
图11为本发明非隔离三端口DC-DC变换器工作为模式五时电感电流波形图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但并不以此限定本申请权利要求保护范围的限定。
本发明非隔离三端口DC-DC变换器(简称变换器，参见图1)，该变换器应用于光伏电池/蓄电池/直流微网中，设有光伏电池PV、蓄电池BT、直流母线DC三个端口，包括两个升压电路和一个升降压电路，一个升压电路用于连接光伏电池和直流母线，一个升压电路用于连接光伏电池PV和蓄电池BT，升降压电路用于连接蓄电池BT和直流母线DC；具体电路组成是：光伏电池PV的正极接电感L1后引出三条支路，第一条支路接开关管S1的漏极，开关管S1的源极接地；第二条支路接二极管D1的正极，二极管D1负极与直流母线DC相连；第三条支路接二极管D2的正极，二极管D2的负极接开关管S4的漏极，开关管S4的源极接蓄电池BT的正极；蓄电池BT的正极同时串联电感L2后引出两条支路，一条支路接开关管S2的漏极，开关管S2的源极接地；另一条支路接开关管S3的源极，开关管S3的漏极接直流母线DC；光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的负极均共接地，开关管S1～开关管S4的栅极均与相应的控制信号连接，在光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的正负极两端均并联一个RC串联电路。
本发明非隔离三端口DC-DC变换器的使用方法，具有五种工作模式，具体如下：
模式一：光伏电池PV同时向蓄电池BT和直流母线DC供电，
关断开关管S2和开关管S3，蓄电池BT工作于充电状态，以开关管S1和开关管S4的占空比作为两个独立的控制变量控制功率传递，通过控制开关管S4的占空比实现传递功率在蓄电池BT和直流母线DC间功率的分配，通过控制开关管S1的占空比控制光伏电池PV的输入功率；
模式二：光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，
关断开关管S3和开关管S4，蓄电池BT工作于放电状态，光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，通过控制开关管S1和开关管S2的占空比完成光伏电池PV和蓄电池BT这两个输入源输入功率的分配控制；光伏电池PV的输入功率由开关管S1的占空比控制，蓄电池BT的输入功率由开关管S2的占空比控制；
模式三：蓄电池BT单独向直流母线DC供电，
关断开关管S1、开关管S3和开关管S4，光伏电池PV输入功率为零，蓄电池工作于放电状态，蓄电池BT单独向直流母线DC供电，通过控制开关管S2的占空比控制蓄电池功率输出的大小；
模式四：光伏电池PV和直流母线DC向蓄电池BT充电，
开关管S2关断，光伏电池PV与直流母线DC给蓄电池BT充电，蓄电池工作于充电状态；开关管S1导通时，光伏电池PV向电感L1充电，当关断开关管S1，导通开关管S4时，光伏电池PV向蓄电池BT充电，开关管S4导通，二极管D1截止，光伏电池PV不能向直流母线DC输送功率；通过调节开关管S1和开关管S4的占空比和开通时间阻止电感L1放电时向直流母线DC输送功率；
模式五：直流母线DC单独向蓄电池BT供电，
开关管S1、开关管S2和开关管S4均关断，开关管S3导通，光伏电池PV输出功率为零，直流母线DC单独向蓄电池BT储能供电，通过控制开关管S3的占空比控制直流母线DC向蓄电池BT传输功率大小。
本发明变换器适用于光伏电池电压Upv<蓄电池电压Ub<直流母线电压Udc的光伏电池/蓄电池/直流微网系统，提高了直流微电网系统的效率，使其可适用于高功率密度场合。由于光伏电池电压Upv<直流母线电压Udc，当变换器工作在光伏电池PV向蓄电池BT和直流母线DC供电状态时，为保证光伏电池功率向直流母线端传输，添加了开关管S4作为控制变量。变换器能量流动方式有光伏电池向蓄电池/直流母线的双输出方式，光伏电池/蓄电池向直流母线或光伏电池/直流母线向蓄电池的双输入方式，蓄电池BT向直流母线DC或直流母线DC向蓄电池BT的单输入单输出方式。光伏电池PV到蓄电池BT和直流母线DC均为单向升压电路，蓄电池BT与直流母线DC间为能量双向流动电路。
图1所示实施例表明，三端口变换器的三个端口分别连接光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC，每个端口两端均并联RC串联电路，即光伏电池PV的正极接电阻R1的一端，电阻R1的另一端接电容Cin的一端，电容Cin的另一端与光伏电池PV的负极连接，蓄电池BT的正极接电阻R2的一端，电阻R2的另一端接电容Cb的一端，电容Cb的另一端与蓄电池BT的负极连接，直流母线DC的正极接电阻R3的一端，电阻R3的另一端接电容Co的一端，电容Co的另一端与直流母线DC的负极连接，三个RC串联电路分别对各自的电压起滤波作用；光伏电池PV的正极接电感L1后引出三条支路，第一条支路接开关管S1的漏极，开关管S1的源极接地；第二条支路接二极管D1的正极，二极管负极与直流母线DC相连；第三条支路接二极管D2的正极，二极管D2的负极接开关管S4的漏极，开关管S4的源极接蓄电池BT的正极；蓄电池BT的正极同时串联电感L2后引出两条支路，一条支路接开关管S2的漏极，开关管S2的源极接地；另一条支路接开关管S3的源极，开关管S3的漏极接直流母线DC；光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的负极均共接地，开关管S1～开关管S4的栅极均与相应的控制信号连接。由光伏电池PV、电感L1、开关管S1、二极管D1、直流母线DC组成光伏电池PV到直流母线DC的升压电路；由光伏电池PV、开关管S4、二极管D2、蓄电池BT组成光伏电池PV到蓄电池BT的升压电路；蓄电池BT、电感L2、开关管S2、开关管S3、直流母线DC组成蓄电池BT与直流母线DC间的升降压电路。
其特点是通过两个升压电路实现的是光伏电池既可以同时又可以单独向蓄电池和直流母线供电；通过一个升降压电路实现了蓄电池与直流母线能量的双向流动。变换器也实现了多个单输入单输出变换器的功能集成，相对于传统多个变换器实现光伏电池/蓄电池/直流微网的能量流向电路拓扑，具有电感、开关器件数量少，功率集成度高，体积小，重量轻，损耗少的优点。
图2为本发明变换器在工作模式一下的的等效电路图，此时开关管S2和开关管S3保持关断，光伏电池PV同时给直流母线DC和蓄电池BT充电。两个开关管S1和S4的占空比作为两个独立的控制变量控制功率传递，通过控制开关管S4的占空比实现功率在蓄电池BT和直流母线DC间功率的分配，光伏电池PV的输入功率通过开关管S1的占空比控制。开关管S1、开关管S4的占空比分别为D1、D4，图中光伏电池PV的电压为Upv，蓄电池BT的电压为Ub，直流母线DC的电压为Udc，根据电感伏秒平衡特性得电压关系为:
Upv＝Udc(1-D1)-D4(Udc-Ub) (1)
U b = U p v - U d c ( 1 - D 1 - D 4 ) D 4 - - - ( 2 )
U d c = U p v - U b D 4 1 - D 1 - D 4 - - - ( 3 )
此模式下电感L1和电感L2的电流波形如图7所示。在该模式下电感L2电流为零，当开关管S1导通，开关管S4关断时，电感L1电流线性上升,此时电感在充电，当开关管S1关断，开关管S4导通时，光伏电池PV向蓄电池充电，电流线性下降，当开关管S1、开关管S4均关断时，光伏电池PV向直流母线充电，电感电流线性下降。
图3为本发明变换器在工作模式二下的的等效电路图，此时开关管S3和开关管S4关断，光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，通过控制开关管S1和开关管S2的占空比完成两个输入源输入功率的分配控制。光伏电池PV的输入功率由开关管S1的占空比控制，蓄电池BT的输入功率由开关管S2的占空比控制。开关管S1和开关管S2的通断确定光伏电池PV和蓄电池BT向直流母线DC传输能量的模态。开关管S1和开关管S2的占空比分别为D1、D2，变换器稳定工作时，根据电感伏秒平衡特性，电压大小关系为：
Upv＝(1-D1)Udc (4)
Ub＝(1-D2)Udc (5)
此模式电感L1和电感L2的电流如图8所示。开关管S1的导通时，电感L1的电流在光伏电池电压Upv的作用下充电，电流线性上升，当开关管S1关断时，电感L1电流下降；开关管S2的导通，电感L2的电流在蓄电池电压Ub的作用下线性上升，开关管S2关断时，电感L2电流下降。
图4为本发明变换器在工作模式三下的的等效电路图，此模式下，光伏电池PV输入功率为零，开关管S1、开关管S3、开关管S4均关断，蓄电池BT单独向直流母线DC供电。开关管S2的占空比为D2，通过占空比D2控制蓄电池功率输出大小。由电感L2的伏秒平衡特性可得蓄电池电压Ub和直流母线电压Udc大小关系为：
Ub＝(1-D2)Udc (6)
此模式下电感L2的电流如图9所示。在该模式下电感L1电流为零，当开关管S2导通时，电感L2的电流在蓄电池电压Ub的作用下线性上升，当开关管S2断开时，电感L2的电流线性下降，通过开关管S3上的二极管续流。
图5为本发明变换器在工作模式四下的的等效电路图，此模式下，开关管S2关断，光伏电池PV与直流母线DC给蓄电池BT充电。开关管S1导通时，电感L1充电，当开关管S1关断，开关管S4导通，光伏电池PV向蓄电池BT充电；开关管S4导通时，由于蓄电池电压Ub<直流母线电压Udc，二极管D1截止，光伏电池PV不能向直流母线DC输送功率。开关管S1和开关管S4为互补控制状态，通过适当调节开关管S1和开关管S4占空比控制功率输送大小。根据电感伏秒平衡特性可得电压大小关系为:
U p v = D 4 D 1 + D 4 U b - - - ( 7 )
U d c = U b D 3 - - - ( 8 )
开关管S1和开关管S4的占空比控制光伏电池PV输入功率，开关管S3控制直流母线DC输入功率。此种模式下，电感L1和电感L2的电流如图10所示。开关管S1导通时，电感L1电流线性上升；开关管S1关断，S4导通时，电感L1电流线性下降；同时当开关管S3导通时，电感L2电流开始反向线性增大当开关管S3关断时，电感L2上的电流值逐渐线性减小，电流通过开关管S2上的续流二极管进行续流。
图6为本发明变换器在工作模式五下的的等效电路图，此模式下，开关管S1、开关管S2、开关管S4均关断，光伏电池PV输入功率为零，直流母线DC单独向蓄电池BT储能。开关管S3的占空比D3控制直流母线DC向蓄电池BT传输功率大小。根据电感伏秒平衡特性，可得电压大小关系为:
Ub＝D3Udc (9)此种模式下，电感L2电流如图11所示。电感L1电流为零，当开关管S3导通时，电感L2的电流开始反向增大，当开关管S3断开时，电感L2的电流值开始逐渐线性减小，电流通过开关管S2的并联二极管进行续流。
从图7-11可知，根据光伏电池/蓄电池/直流微网系统的工况，变换器通过选择对应的工作模式实现功率流动，且通过合理的调整开关管占空比可调节输出电压大小；两个电感电流互不影响处于并联模式；电感L2电流为正时说明蓄电池BT处于放电状态，电感L2电流为负时说明蓄电池BT处于充电状态；两个电感电流不等，表明两个输入源的功率可以各自独立控制，图中实验波形与理论分析一致。
本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (2)

1.一种非隔离三端口DC-DC变换器，该变换器应用于光伏电池/蓄电池/直流微网中，设有光伏电池PV、蓄电池BT、直流母线DC三个端口，包括两个升压电路和一个升降压电路，一个升压电路用于连接光伏电池和直流母线，一个升压电路用于连接光伏电池PV和蓄电池BT，升降压电路用于连接蓄电池BT和直流母线DC；具体电路组成是：光伏电池PV的正极接电感L1后引出三条支路，第一条支路接开关管S1的漏极，开关管S1的源极接地；第二条支路接二极管D1的正极，二极管D1负极与直流母线DC相连；第三条支路接二极管D2的正极，二极管D2的负极接开关管S4的漏极，开关管S4的源极接蓄电池BT的正极；蓄电池BT的正极同时串联电感L2后引出两条支路，一条支路接开关管S2的漏极，开关管S2的源极接地；另一条支路接开关管S3的源极，开关管S3的漏极接直流母线DC；光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的负极均共接地，开关管S1～开关管S4的栅极均与相应的控制信号连接，在光伏电池PV、蓄电池BT和直流母线DC的正负极两端均并联一个RC串联电路。
2.一种权利要求1所述的非隔离三端口DC-DC变换器的使用方法，具有五种工作模式，具体如下：
模式一：光伏电池PV同时向蓄电池BT和直流母线DC供电，
关断开关管S2和开关管S3，蓄电池BT工作于充电状态，以开关管S1和开关管S4的占空比作为两个独立的控制变量控制功率传递，通过控制开关管S4的占空比实现传递功率在蓄电池BT和直流母线DC间功率的分配，通过控制开关管S1的占空比控制光伏电池PV的输入功率；
模式二：光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，
关断开关管S3和开关管S4，蓄电池BT工作于放电状态，光伏电池PV和蓄电池BT同时向直流母线DC供电，通过控制开关管S1和开关管S2的占空比完成光伏电池PV和蓄电池BT这两个输入源输入功率的分配控制；光伏电池PV的输入功率由开关管S1的占空比控制，蓄电池BT的输入功率由开关管S2的占空比控制；
模式三：蓄电池BT单独向直流母线DC供电，
关断开关管S1、开关管S3和开关管S4，光伏电池PV输入功率为零，蓄电池工作于放电状态，蓄电池BT单独向直流母线DC供电，通过控制开关管S2的占空比控制蓄电池功率输出的大小；
模式四：光伏电池PV和直流母线DC向蓄电池BT充电，
开关管S2关断，光伏电池PV与直流母线DC给蓄电池BT充电，蓄电池工作于充电状态；开关管S1导通时，光伏电池PV向电感L1充电，当关断开关管S1，导通开关管S4时，光伏电池PV向蓄电池BT充电，开关管S4导通，二极管D1截止，光伏电池PV不能向直流母线DC输送功率；通过调节开关管S1和开关管S4的占空比和开通时间阻止电感L1放电时向直流母线DC输送功率；
模式五：直流母线DC单独向蓄电池BT供电，
开关管、开关管S2和开关管S4均关断，开关管S3导通，光伏电池PV输出功率为零，直流母线DC单独向蓄电池BT储能供电，通过控制开关管S3的占空比控制直流母线DC向蓄电池BT传输功率大小。
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