CN107154730A - 一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了本发明涉及一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法，包括全控开关器件K0、全控开关器件K1、全控开关器件K2、转换开关S0、转换开关S1、隔离电路、隔离/非隔离选择开关S2、电容C0、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、二极管D0、二极管D1、二极管D2、接口0、接口1、触点1、触点2、触点S2_a、触点S2_b、触点a_1和触点b_1；所述转换开关S1的公共端与电感L1和电容C2端相连接，触点1端与新能源发电输入接口相连接、触点2与接口1相连接。发明通过变换电路实现多种电能变换和管理功能，降低常规光伏发电系统的成本，提高系统整体效率，减小系统装置的整体体积和提升功率密度比。电路在多种工作模式间实现灵活转换，适合在多种场合推广应用。

Description

一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法

技术领域

本发明涉及一种一种新能源发电控制变换电路技术，具体的说涉及一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法。

背景技术

随着常规化石能源的日益短缺和环境问题的突出，新能源作为一种新型可再生清洁能源获得越来越重视，并获得了规模化的应用与推广。太阳能和风力发电作为新能源发电的重要应用形式，近年来发展迅速，其技术也不断更新进步。同时由于风力和太阳能发电受到环境因素等的影响，其发电输出存在一定的波动和随机性。在实际的发电工程应用中，常需要通过控制电路实现对风机和太阳能电池组件输出电能的控制和管理，以便其更好地应用到不同的用电系统中。对于一些直流应用场合，往往需要采用储能装置对光伏发电进行存储和保持稳定电压输出，在这些应用场合一般需要两个及以上的变换控制电路来实现，对于一些需要储能和直流供电的场合，如采用两个独立的DC/DC控制电路，一方面会增加系统的成本和整体体积，另一方面也会降低系统的整体效率，如采用单一的双向变换电路，则可以在实现功能的同时，提高系统的效率、降低成本和提高系统的整体功率密度。双向Cuk电路具有电流连续、电压变比宽等优点，在一些场合获得了较好的应用。但由于一些光伏发电系统应用要求限制，常规的基本型双向Cuk无法很好的满足其应用需求。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明的目的是：提出了一种新能源发电用高效双向变换电路及其控制方法，该控制电路可以根据新能源发电系统的应用需求，通过对电路工作状态的改变使其工作在不同的模式，实现“一路多能”，可以大幅提高系统的性价比和满足不同新能源发电工程应用需求。

本发明的技术解决方案是这样实现的：一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：包括全控开关器件K0、全控开关器件K1、全控开关器件K2、转换开关S0、转换开关S1、隔离电路、隔离/非隔离选择开关S2、电容C0、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、二极管D0、二极管D1、二极管D2、接口0、接口1、触点1、触点2、触点S2_a、触点S2_b、触点a_1和触点b_1；所述转换开关S1的公共端与电感L1和电容C2端相连接，触点1端与新能源发电输入接口相连接、触点2与接口1相连接；所述隔离电路包括变压器Ti和电容Ci。

优选的，所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路。

优选的，所述电感L1、二极管D1、电容C1、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

优选的，所述隔离/非隔离选择开关S2分别与触点S2_a或是S2_b相连接，开关连接到隔离电路时，实现电路的隔离功能；所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路。

优选的，所述隔离/非隔离选择开关S2分别与触点S2_a或是S2_b相连接，开关连接到隔离电路时，实现电路的隔离功能；所述电感L1、二极管D1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

一种新能源发电用高效双向变换电路的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：检测电路工作模式设定，根据不同模式设定进入不同的工作状态；

步骤2：进入非隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_1和触点b_1连接，接通主电路工作在非隔离状态；进入隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_2和触点b_2连接，接通主电路工作在非隔离状态；

步骤3：进入充电模式工作状态，则转换开关S0与新能源发电输出端接通，全控开关器件K1断开，检测新能源发电状态和接口0的工作参数，参数正常，则全控开关器件K2由PWM信号控制，电路工作在反向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

或进入正向Cuk工作模式，则转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K2断开，检测接口0和接口1的工作参数，参数正常，则全控开关器件K1由PWM信号控制，电路工作在正向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

步骤4：系统检测设定待机状态或者检测到参数异常，则切换隔离/非隔离选择开关S2与隔离电路相连接，转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K1、全控开关器件K2断开，电路进入待机/隔离保护状态。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明的一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法，通过单一变换电路实现多种电能变换和管理功能，可以降低常规光伏发电系统的成本，提高系统整体效率，同时也可以减小系统装置的整体体积和提升功率密度比。电路可以在多种工作模式间实现灵活转换，并可以实现关键接口间的电气隔离功能，适合在太阳能路灯等多种场合推广应用。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

附图1为本发明的一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法的电路组成结构框图；

附图2为本发明的一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法的工作模式组成图；

附图3为本发明的一种新能源发电用高效双向变换电路及控制方法的控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图来说明本发明。

如附图1所示为本发明所述的附图1为本发明所述的一种新能源发电用高效双向变换电路，包括全控开关器件K0、全控开关器件K1、全控开关器件K2、转换开关S0、转换开关S1、隔离电路、隔离/非隔离选择开关S2、电容C0、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、二极管D0、二极管D1、二极管D2、接口0、接口1、触点1、触点2、触点S2_a、触点S2_b、触点a_1和触点b_1；所述转换开关S1的公共端与电感L1和电容C2端相连接，触点1端与新能源发电输入接口相连接、触点2与接口1相连接；所述隔离电路包括变压器Ti和电容Ci。

所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路；所述电感L1、二极管D1、电容C1、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

所述隔离/非隔离选择开关S2分别与触点S2_a或是S2_b相连接，开关连接到隔离电路时，实现电路的隔离功能；所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路；所述电感L1、二极管D1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

如图2所示，控制变换电路通过控制转换可以有多种不同的工作状态模式，其主要工作模式包括：

（a）非隔离工作状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_1和触点b_1连接，接通主电路工作在非隔离状态；

（1）充电模式：切换转换开关S0连接到新能源发电输入接口，所述电感L1、二极管D1、电容C1、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路，新能源发电输出的电能经由反向Cuk变换电路实现电能变换和供给，反向Cuk变换电路可以实现新能源发电的最大功率控制等功能；

（2）正向工作模式：切换转换开关S0连接到接口1，所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路，可以将与接口0相连接的电能通过正向Cuk变换电路进行电能变换，电能由接口0向接口1供电；

（3）隔离保护/待机模式：当变换电路需要进行隔离保护或者待机模式时，切换开关S1连接到接口1，切换开关S2连接到隔离电路、控制电路进入隔离保护/待机模式，实现新能源发电输出与用电设备间的电气隔离，提高新能源发电的用电系统可靠性。

（b）隔离工作状态，切换转换开关S1接通隔离电路非隔离工作状态，切换转换开关S1的触点S1_a和触点S1_b分别与触点a_2和触点b_2连接，接通主电路工作在隔离状态；

（4）充电模式：切换转换开关S0连接到新能源发电输入接口，所述电感L1、二极管D1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路，新能源发电输出的电能经由反向Cuk隔离变换电路实现电能变换和供给，反向Cuk隔离变换电路可以实现新能源发电的最大功率控制等功能；

（5）正向工作模式：切换转换开关S0连接到接口1，所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路，可以将与接口0相连接的电能通过正向Cuk变换电路进行电能变换，电能由接口0向接口1供电；

（6）隔离保护/待机模式：当变换电路需要进行隔离保护或者待机模式时，切换转换开关S0连接到接口1，控制电路进入隔离保护/待机模式。

光伏发电控制变换电路通过控制转换可以有多种不同的工作状态模式，其主要工作模式包括：

（1）太阳能光伏充电模式：当太阳能光照条件满足发电时，切换转换开关S0连接到光伏输入接口，全控开关器件K0闭合，所述电感L1、二极管D1、电容C1、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路工作，太阳能光伏发出的电能经由反向Cuk变换电路实现电能变换和供给，反向Cuk变换电路可以实现太阳能光伏发电的最大功率点跟踪（MPPT）功能，实现光伏系统的最大效率发电；

（2）正向工作模式：切换转换开关S0连接到接口1，全控开关器件K0闭合，所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路工作，可以将与接口0相连接的电能通过正向Cuk变换电路进行电能变换，电能由接口0向接口1供电；

（3）隔离保护/待机模式：当变换电路需要进行隔离保护或者待机模式时，切换转换开关S0连接到接口1，全控开关器件K0断开，控制电路进入隔离保护/待机模式，实现太阳能光伏电池与用电设备间的电气隔离，提高太阳能光伏发电的用电系统可靠性。

如附图3所示，一种新能源发电用高效双向变换电路的控制方法，具体步骤如下：

步骤1：检测电路工作模式设定，根据不同模式设定进入不同的工作状态；

步骤2：进入非隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_1和触点b_1连接，接通主电路工作在非隔离状态；进入隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_2和触点b_2连接，接通主电路工作在非隔离状态；

步骤3：进入充电模式工作状态，则转换开关S0与新能源发电输出端接通，全控开关器件K1断开，检测新能源发电状态和接口0的工作参数，参数正常，则全控开关器件K2由PWM信号控制，电路工作在反向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

或进入正向Cuk工作模式，则转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K2断开，检测接口0和接口1的工作参数，参数正常，则全控开关器件K1由PWM信号控制，电路工作在正向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

步骤4：系统检测设定待机状态或者检测到参数异常，则切换隔离/非隔离选择开关S2与隔离电路相连接，转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K1、全控开关器件K2断开，电路进入待机/隔离保护状态。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：包括全控开关器件K0、全控开关器件K1、全控开关器件K2、转换开关S0、转换开关S1、隔离电路、隔离/非隔离选择开关S2、电容C0、电容C1、电容C2、电感L1、电感L2、二极管D0、二极管D1、二极管D2、接口0、接口1、触点1、触点2、触点S2_a、触点S2_b、触点a_1和触点b_1；所述转换开关S1的公共端与电感L1和电容C2端相连接，触点1端与新能源发电输入接口相连接、触点2与接口1相连接；所述隔离电路包括变压器Ti和电容Ci。

2.根据权利要求1所述的一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路。

3.根据权利要求1所述的一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：所述电感L1、二极管D1、电容C1、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

4.根据权利要求1所述的一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：所述隔离/非隔离选择开关S2分别与触点S2_a或是S2_b相连接，开关连接到隔离电路时，实现电路的隔离功能；所述电感L1、全控开关器件K1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、二极管D2、电感L2、电容C2组成正向Cuk变换电路。

5.根据权利要求1所述的一种新能源发电用高效双向变换电路，其特征在于：所述隔离/非隔离选择开关S2分别与触点S2_a或是S2_b相连接，开关连接到隔离电路时，实现电路的隔离功能；所述电感L1、二极管D1、电容C1、变压器Ti、电容Ci、全控开关器件K2、电感L2、电容C2组成反向Cuk变换电路。

6.一种新能源发电用高效双向变换电路的控制方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤1：检测电路工作模式设定，根据不同模式设定进入不同的工作状态；

步骤2：进入非隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_1和触点b_1连接，接通主电路工作在非隔离状态；进入隔离状态，切换隔离/非隔离选择开关S2的触点S2_a和触点S2_b分别与触点a_2和触点b_2连接，接通主电路工作在非隔离状态；

步骤3：进入充电模式工作状态，则转换开关S0与新能源发电输出端接通，全控开关器件K1断开，检测新能源发电状态和接口0的工作参数，参数正常，则全控开关器件K2由PWM信号控制，电路工作在反向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

或进入正向Cuk工作模式，则转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K2断开，检测接口0和接口1的工作参数，参数正常，则全控开关器件K1由PWM信号控制，电路工作在正向Cuk变换状态；参数异常则进入转到步骤3；

步骤4：系统检测设定待机状态或者检测到参数异常，则切换隔离/非隔离选择开关S2与隔离电路相连接，转换开关S0与接口1相连接，全控开关器件K1、全控开关器件K2断开，电路进入待机/隔离保护状态。