CN108092512B - 一种多工况高增益多端口dc/dc变换器 - Google Patents

Abstract

一种多工况高增益多端口DC/DC变换器，包括：依次连接的输入单元A，交错并联和倍压单元B，以及负载单元C；其中输入单元A包括至少一个新能源微电源u_pv，一个蓄电池储能单元u_b，二极管VD₂、VD₃，开关管S₃、S₄及S₅；交错并联和倍压单元B包括两个电感L₁和L₂，两个主电路功率开关管S₁和S₂，以及由一个二极管VD₂和一个电容C₁构成的倍压单元；负载单元C包括一个输出二极管VD_o，一个输出滤波电容C_o和负载R。本发明变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率，且同时也可实现N路输入拓展。

Description

一种多工况高增益多端口DC/DC变换器

技术领域

本发明涉及一种DC/DC变换器，具体说是一种多工况高增益多端口DC/DC变换器。

背景技术

随着能源危机、温室效应以及大气污染等全球问题的日益严重，光伏发电、燃料电池发电等新能源发电技术得到了广泛的关注和快速发展，含储能单元的新能源发电系统能够平滑新能源微电源的发电出力，提高系统供电稳定性。传统的混合型多端口变换器方案中新能源微电源和储能单元一般通过各自的DC/DC变换器与直流母线并联，虽然这种结构能够解决储能单元平衡微电源发电出力以及提高系统的供电稳定性问题，但是由于采用各自DC/DC变换器与直流母线并联式结构使储能系统每次充放电电时都要进行两次电能转换，造成电能浪费及电能利用率低等问题，且并联式结构还会增加系统设计成本以及控制器设计的复杂度，另外目前的多端口变换器大多都是基于传统的Boost变换器变结构得来，很少能实现较高增益，利用耦合电感实现的高增益由于存在漏感使得开关管的电压和电流应力都较大。因此，改进现有并联式结构对于减少储能系统能量转换次数、提高系统能量利用率、降低系统设计成本、优化控制器设计及实现高增益和开关管的低应力具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明重点解决储能单元并联式结构造成的能量转换次数多，能量利用率低及提高输入输出电压增益等问题，提出了一种多工况高增益多端口DC/DC变换器。实现了双向DC/DC变换器和高增益DC/DC变换器的集成，可使新能源微电源发电冗余通过蓄电池储能单元直接存储起来，在新能源微电源发电功率不足时蓄电池可以将存储的电能释放出来供负载实用，所述变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率，且同时也可实现N路输入拓展。

本发明采取的技术方案为：

一种多工况高增益多端口DC/DC变换器，包括依次连接的输入单元A、交错并联和倍压单元B、负载单元C，其内部连接关系为：

输入单元A中的单向输出端口u_pv和二极管VD₃串联后与电感L₂的正端相连，同时单向输出端口u_pv通过开关管S₅与电感L₁相连，储能单元u_b由开关管S₄构成的放电支路通过开关管S₅与单向输出端口u_pv并联，开关管S₃源极与储能单元u_b的正极相连，开关管S₃漏极和二极管VD₂的阴极串联，二极管VD₂的阳极与电感L₂负端相连，构成蓄电池的充电支路；

交错并联和倍压单元B中开关管S₁和S₂的漏极分别与电感L₁和L₂连接，开关管S₁和S₂的源极则与单向输出端口u_pv和储能单元u_b的负极相连，电感L₁、L₂分别与C₁和负载单元 C中的二极管VD₁串联之后再并联，然后与输出二极管VD_o的阳极连接，二极管VD_o的阴极连接电容C_o和负载R；

开关管S₁和开关管S₂作为主电路功率开关管，采用交错控制方式，即控制信号相差180°。

输入单元A中，开关管S₃和二极管VD₂，以及开关管S₄分别构成蓄电池的充电支路和放电支路，当微电源发电有冗余时，u_pv通过二极管VD₃、电感L₂、二极管VD₂和开关管S₃给蓄电池充电，此时开关管S₄关断，S₅导通；当微电源发电不足或者负载功率较大时，蓄电池通过开关管S₄和L₁给电容C₁充电，同时为负载供电，此时开关管S₃、S₅关断， S₄导通。

该变换器工作于四种不同的状态，分别为：

(1)单输入双输出(Single input-dual output，SIDO)状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，在该状态下：开关管S₄一直关断，S₅一直导通，开关管S₁、S₂控制输出电压，采用交错控制方式，即S₁、S₂的控制信号占空比大于0.5，相位相差180°，开关管S₃控制蓄电池的充电电压，开关管S₃只在S₂关断过程中导通，且 S₃导通时间小于开关管S₂关断时间。

(2)双输单入输出(Dual input-single output，DISO)状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池同时给负载供电，在该状态下：开关管S₃、S₅一直关断，S₄一直导通，二极管VD₃导通、VD₂关断，开关管S₁、S₂仍采用交错控制方式，u_pv和u_b通过各自的开关管控制输出电压。

(3)单输单入输出(Single input-single output，DISO)状态：当蓄电池充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：开关管S₃一直关断，S₄、S₅一直导通，二极管VD₃、 VD₂一直关断，开关管S₁、S₂采用交错控制方式。

(4)单输单入输出(Single input-single output，DISO)状态：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电，在该状态下：开关管S₃、S₄一直关断，S₅一直导通，二极管VD₃导通、VD₂关断，开关管S₁、S₂采用交错控制方式。

该变换器可以根据需要，拓展为N路新能源输入单路储能单元接入的多端口变换器。

相比现有技术，本发明一种多工况高增益多端口DC/DC变换器，具有如下有益效果：

1.本发明通过改进交错并联高增益DC/DC变换器的结构，实现了储能单元的接入，通过一个开关管控制储能单元的放电支路，一个开关管和一个二极管控制储能单元的充电支路，能同时实现SIDO、DISO、SISO多种工作状态的切换，各个端口之间实现一次电能转换，减少能量转换次数，提高能量利用率。

2.本发明提出的多工况高增益多端口DC/DC变换器，采用交错并联技术，通过二极管电容倍压单元同时实现输入输出电压高增益，降低了主功率开关管电压电流应力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1是本发明多工况高增益多端口DC/DC变换器原理图。

图2是本发明多工况高增益多端口DC/DC变换器N路拓展原理图。

具体实施方式

如图1所示，一种多工况高增益多端口DC/DC变换器，由输入单元A、交错并联和倍压单元B以及负载单元C组成；所述多工况高增益DC/DC变换器包括一个单向输出端口u_pv、一个双向端口u_b以及一个负载R，开关管S₁、S₂为主电路开关管采用交错控制方式调节输出电压，S₃和VD₂为储能单元u_b的充电支路，通过改变S3占空比来改变充电电压大小，S₄为储能单元u_b的放电支路，改变S₄占空比大小可以控制储能单元u_b输出功率大小，S₅协调控制该变换器在几种状态之间进行切换。

该变换器可根据不同环境条件和负载供电要求工作于不同的状态：SIDO、SISO、DISO及 SISO四种状态。

状态(1)：当新能源微电源发电有冗余时：该状态下开关管S₄一直关断、S₅一直导通，开关管S₃控制储能单元u_b的充电电压，只在S₂关断的时间导通，且S₃的占空比D₃小于1-D₂，开关管S₁、S₂采用交错控制方式要求其控制信号相位相差180°，各自的占空比D₁、D₂都大于0.5，S₁、S₂主要控制输出电压大小。模态一：开关管S₁、S₂导通、S₃关断，电感L₁、L₂由微电源u_pv充电，二极管VD₁、VD_o均关断，负载R由输出电容C_o供电；模态二：开关管 S₁、S₃导通、S₂关断，二极管VD₁、VD_o均关断，电感L₁充电，L₂通过二极管VD₂和开关管S₃给储能电源充电，负载仍由输出电容C_o供电；模态三：开关管S₁导通、S₂、S₃关断，二极管VD₁导通、VD_o关断，电感L₁充电，L₂通过VD₁给电容C₁充电；模态四：开关管S₁、S₃关断、S₂导通，二极管VD₁关断、VD_o导通，电感L₂充电，L₁通过电容C₁和二极管VD_o给电容 C_o充电同时为负载供电。

状态(2)：当新能源微电源发电量充足且储能单元充电完成时，微电源u_pv单独给负载供电：该状态下开关管S₃、S₄一直关断、S₅一直导通，开关管S₁、S₂控制各自的占空比D₁、 D₂来调节输出电压大小。模态一：开关管S₁、S₂同导通，电感L₁、L₂由微电源u_pv充电，二极管VD₁、VD_o均关断，负载R由输出电容C_o供电；模态二：开关管S₁导通、S₂关断，二极管VD₁导通、VD_o关断，电感L₁充电，L₂通过VD₁给电容C₁充电；模态三：开关管S₁关断、 S₂导通，二极管VD₁关断、VD_o导通，电感L₂充电，L₁通过电容C₁和二极管VD_o给电容C_o充电同时为负载供电。

状态(3)：当新能源微电源发电量不足或负载功率要求较大时，微电源u_pv和储能单元u_b同时给负载供电：该状态下开关管S₃、S₅一直关断、S₄一直导通，开关管S₁、S₂控制各自占空比D₁、D₂来调节输出电压大小。模态一：开关管S₁、S₂同导通，电感L₁、L₂分别由微电源u_pv和u_b充电，二极管VD₁、VD_o均关断，负载R由输出电容C_o供电；模态二：开关管 S₁导通、S₂关断，二极管VD₁导通、VD_o关断，电感L₁由u_pv充电，L₂通过VD₁给电容C₁充电；模态三：开关管S₁关断、S₂导通，二极管VD₁关断、VD_o导通，u_b给电感L₂充电，L₁通过电容C₁和二极管VD_o给电容C_o充电同时为负载供电。

状态(4)：当新能源微电源不能发电，储能单元u_b单独给负载供电：该状态下开关管S₃一直关断、S₅一直导通，由于u_b>u_pv，二极管VD₃关断，开关管S₁、S₂控制各自占空比D₁、 D₂来调节输出电压大小。模态一：开关管S₁、S₂同导通，电感L₁、L₂由微电源u_b充电，二极管VD₁、VD_o均关断，负载R由输出电容C_o供电；模态二：开关管S₁导通、S₂关断，二极管VD₁导通、VD_o关断，电感L₁充电，L₂通过VD₁给电容C₁充电；模态三：开关管S₁关断、 S₂导通，二极管VD₁关断、VD_o导通，电感L₂充电，L₁通过电容C₁和二极管VD_o给电容C_o充电同时为负载供电。

综上所述，本发明提出的一种多工况高增益多端口DC/DC变换器实现储能单元接入，储能单元和新能源微电源之间协调工作以及输出电压高增益。通过集成式多端口DC/DC变换器解决了传统并联式结构能量利用率低和设计成高等问题，通过二极管电容倍增单元实现输入输出高增益，降低了主功率开关管上的电压电流应力。本发明适用于含储能单元的新能源发电系统，上述实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而构建的多工况高增益DC/DC变换器，在实际应用中，可以根据实际情况对本方案稍作改进，达到优化效率和节约成本的目的。

本发明的上述实施范例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (1)

1.一种多工况高增益多端口DC/DC变换器，其特征在于：包括依次连接的输入单元A、交错并联和倍压单元B、负载单元C，其内部连接关系为：

输入单元A中的单向输出端口u_pv和二极管VD₃串联后与电感L₂的正端相连，同时单向输出端口u_pv通过开关管S₅与电感L₁相连，储能单元u_b由开关管S₄通过开关管S₅与单向输出端口u_pv并联，开关管S₃源极与储能单元u_b的正极相连，开关管S₃漏极和二极管VD₂的阴极串联，二极管VD₂的阳极与电感L₂负端相连；

交错并联和倍压单元B中开关管S₁和S₂的漏极分别与电感L₁和L₂连接，开关管S₁和S₂的源极则与单向输出端口u_pv和储能单元u_b的负极相连，

电感L₁、电容C₁串联构成第一串联组件单元：

电感L₁正端分别连接开关管S₄源极、开关管S₅源极，电感L₁负端连接电容C₁一端，电容C₁另一端连接二极管VD_o阳极；

电感L₂、二极管VD₁串联构成第二串联组件单元：

电感L₂正端分别连接二极管VD₃阴极、开关管S₅漏极，电感L₂负端连接二极管VD₁阳极，二极管VD₁阴极连接二极管VD_o阳极；

二极管VD_o的阴极连接电容C_o一端、负载R一端；电容C_o另一端、负载R另一端均连接储能单元u_b的负极；

输入单元A中，开关管S₃和二极管VD₂，以及开关管S₄分别构成储能单元u_b的充电支路和放电支路，当微电源发电有冗余时，u_pv通过二极管VD₃、电感L₂、二极管VD₂和开关管S₃给储能单元u_b充电，此时开关管S₄关断，S₅导通；当微电源发电不足或者负载功率较大时，储能单元u_b通过开关管S₄和L₁给电容C₁充电，同时为负载供电，此时开关管S₃、S₅关断，S₄导通；

该变换器工作于四种不同的状态，分别为：

(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和储能单元u_b供电，在该状态下：开关管S₄一直关断，S₅一直导通，开关管S₁、S₂控制输出电压，采用交错控制方式，即S₁、S₂的控制信号占空比大于0.5，相位相差180°，开关管S₃控制储能单元u_b的充电电压，开关管S₃只在S₂关断过程中导通，且S₃导通时间小于开关管S₂关断时间；

(2)双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和储能单元u_b同时给负载供电，在该状态下：开关管S₃、S₅一直关断，S₄一直导通，二极管VD₃导通、VD₂关断，开关管S₁、S₂仍采用交错控制方式，u_pv和u_b通过各自的开关管控制输出电压；

(3)单输入单输出状态①：当储能单元u_b充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：开关管S₃、S₄一直关断、S₅一直导通，二极管VD₃导通、VD₂一直关断，开关管S₁、S₂采用交错控制方式；

(4)单输入单输出状态②：当光伏电池不能发电时，储能单元u_b单独给负载供电，在该状态下：开关管S₃一直关断，S₄、S₅一直导通，二极管VD₃关断、VD₂关断，开关管S₁、S₂采用交错控制方式。

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