CN108233713B - 一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法 - Google Patents

一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法。该变换器包括光伏电池、蓄电池、第一至第四开关管、第一至第五二极管、滤波电感、滤波电容、负载；光伏电池的正极经第一二极管、第一开关管与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接，光伏电池的负极与蓄电池的负极、第四二极管的阳极、第四开关管的第一端、滤波电容的一端、负载的一端连接；蓄电池的正极经第二二极管、第二开关管与滤波电感的一端连接，蓄电池的正极还经第三二极管、第三开关管与滤波电感的另一端、第五二极管的阳极、第四开关管的第二端连接，第五二极管的阴极与滤波电容的另一端、负载的另一端连接。本发明具有成本低、集成度高、变换效率高，工作方式灵活和可靠性高等优点。

Description

一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法。
背景技术
随着能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能、燃料电池等新能源和可再生能源的开发和利用得到越来越广泛的关注，新能源发电系统已成为世界各国关注和研究的热点。由于太阳能电池等新能源发电系统存在电力供应不稳定、不连续和随环境条件变化等缺点，需要配备储能装置以提供峰值功率和回收多余能量，保证供电的连续性和可靠性。
独立光伏供电系统中，由于需要同时对光伏电池的输出功率、蓄电池等储能装置的充放电控制功率以及供电负载功率进行管理和控制，通常需要采用多个两端口变换器组合构成功率管理与控制系统，然而由于变换器数目多、各个变换器分时工作，系统功率密度低、体积重量大、成本高，且由于各个变换器彼此分散控制且各自独立工作，可能影响系统稳态和动态性能。而采用三端口变换器替代独立变换器可以提升系统的效率和可靠性，降低系统成本，已经成为了近年来电力电子变换领域的研究和应用热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非隔离三端口直流开关变换器及其控制方法，具有成本低、集成度高、变换效率高，工作方式灵活和可靠性高等优点。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种非隔离三端口直流开关变换器，包括光伏电池、蓄电池、第一至第四开关管、第一至第五二极管、滤波电感、滤波电容、负载；光伏电池的正极经第一二极管、第一开关管与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接，光伏电池的负极与蓄电池的负极、第四二极管的阳极、第四开关管的第一端、滤波电容的一端、负载的一端连接；蓄电池的正极经第二二极管、第二开关管与滤波电感的一端连接，蓄电池的正极还经第三二极管、第三开关管与滤波电感的另一端、第五二极管的阳极、第四开关管的第二端连接，第五二极管的阴极与滤波电容的另一端、负载的另一端连接。
本发明还提供了一种基于上述所述的非隔离三端口直流开关变换器的控制方法，包括以下四种工作模式：
（1）光伏电池单独对负载供电工作模式：第二开关管、第三开关管关断，此时电路由第一开关管、第四开关管、第一二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（2）蓄电池单独对负载供电工作模式：第一开关管、第三开关管关断，此时电路由第二开关管、第四开关管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（3）光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：第二开关管关断，电路由第一开关管、第三开关管和第四开关管、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断，第三开关管导通时，滤波电感中的能量通过第三开关管、第四二极管和第三二极管续流，为蓄电池充电；当第一开关管、第三开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（4）光伏电池和蓄电池共同对负载供电工作模式：第三开关管关断，电路由第一开关管、第二开关管和第四开关管、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第二开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电。
相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明直流变换器具有四种工作模式，在一个变换器中就可以完成多个单输入单输出变换器的功能；本发明具有成本低、集成度高、变换效率高，工作方式灵活和可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明非隔离三端口直流开关变换器原理图。
图2为本发明光伏电池对负载供电工作过程。
图3为本发明蓄电池对负载供电工作过程。
图4为本发明光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作过程。
图5为本发明光伏电池和蓄电池同对负载供电工作过程。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。
本发明的一种非隔离三端口直流开关变换器，包括光伏电池、蓄电池、第一至第四开关管、第一至第五二极管、滤波电感、滤波电容、负载；光伏电池的正极经第一二极管、第一开关管与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接，光伏电池的负极与蓄电池的负极、第四二极管的阳极、第四开关管的第一端、滤波电容的一端、负载的一端连接；蓄电池的正极经第二二极管、第二开关管与滤波电感的一端连接，蓄电池的正极还经第三二极管、第三开关管与滤波电感的另一端、第五二极管的阳极、第四开关管的第二端连接，第五二极管的阴极与滤波电容的另一端、负载的另一端连接。
本发明还提供了一种基于上述所述的非隔离三端口直流开关变换器的控制方法，包括以下四种工作模式：
（1）光伏电池单独对负载供电工作模式：第二开关管、第三开关管关断，此时电路由第一开关管、第四开关管、第一二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（2）蓄电池单独对负载供电工作模式：第一开关管、第三开关管关断，此时电路由第二开关管、第四开关管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（3）光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：第二开关管关断，电路由第一开关管、第三开关管和第四开关管、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断，第三开关管导通时，滤波电感中的能量通过第三开关管、第四二极管和第三二极管续流，为蓄电池充电；当第一开关管、第三开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（4）光伏电池和蓄电池共同对负载供电工作模式：第三开关管关断，电路由第一开关管、第二开关管和第四开关管、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第二开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电。
以下为本发明的具体实施过程。
如图1所示，为本发明的非隔离三端口直流变换器，包括光伏电池Vpv、蓄电池Vb、第一至第四开关管Q1~Q4、第一至第五二极管D1~D5、滤波电感L1、滤波电容C0、负载R0。该非隔离三端口直流变换器有四种工作模式，各模式工作原理如下：
1、光伏单独对负载供电工作模式：该工作模式下开关管Q2、Q3关断，电路是一个由开关管Q1和Q4，二极管D1、D4和D5，电感L1和滤波电容C0组成的升降压直流变换器，其工作过程如图2所示。当开关管Q1、Q4导通，时，光伏电池通过开关管Q1和Q4对电感L1充电；当开关管Q1、Q4关断时，电感L1中的能量通过二极管D4和D5续流，为负载供电。
2、蓄电池单独对负载供电工作模式：该工作模式下开关管Q1、Q3关断，电路是一个由开关管Q2和Q4，二极管D2、D4和D5，电感L1和滤波电容C0组成的升降压直流变换器，其工作过程如图3所示。当开关管Q2、Q4导通时，蓄电池通过开关管Q2和Q4对电感L1充电；当开关管Q2、Q4关断时，电感L1中的能量通过二极管D4和D5续流，为负载供电。
3、光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：当光伏电池最大输出功率大于负载功率，而蓄电池储能又不足时需要光伏电池对负载供电的同时又对蓄电池充电。该工作模式下开关管Q2关断，电路是一个由开关管Q1、Q3和Q4，二极管D1、D3、D4和D5，电感L1和滤波电容C0组成的直流变换器，其工作过程如图4所示。当开关管Q1、Q4导通时，光伏电池通过开关管Q1和Q4对电感L1充电；当开关管Q1、Q4关断，开关管Q3导通时，电感L1中的能量通过开关管Q3，二极管D4和D3续流，为蓄电池充电；当开关管Q1、Q3和Q4关断时，电感L1中的能量通过二极管D4和D5续流，为负载供电。
4、光伏电池和蓄电池共同对负载供电工作模式：当光伏电池最大输出功率小于负载功率时，不足能量要由蓄电池补充，此时需要光伏电池和蓄电池共同对负载供电。该工作模式下开关管Q3关断，电路是一个由开关管Q1、Q2和Q4，二极管D1、D2、D4和D5，电感L1和滤波电容C0组成的直流变换器，其工作过程如图5所示。当开关管Q1、Q4导通，时，光伏电池通过开关管Q1和Q4对电感L1充电；当开关管Q2、Q4导通时，蓄电池通过开关管Q2和Q4对电感L1充电；当开关管Q1、Q2和Q4关断时，电感L1中的能量通过二极管D4和D5续流，为负载供电。
以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种非隔离三端口直流开关变换器，其特征在于，包括光伏电池、蓄电池、第一至第四开关管、第一至第五二极管、滤波电感、滤波电容、负载；光伏电池的正极经第一二极管、第一开关管与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接，光伏电池的负极与蓄电池的负极、第四二极管的阳极、第四开关管的第一端、滤波电容的一端、负载的一端连接；蓄电池的正极经第二二极管、第二开关管与滤波电感的一端连接，蓄电池的正极还经第三二极管、第三开关管与滤波电感的另一端、第五二极管的阳极、第四开关管的第二端连接，第五二极管的阴极与滤波电容的另一端、负载的另一端连接；所述第一二极管的阳极与光伏电池的正极连接，第一二极管的阴极与第一开关管的第二端连接，第一开关管的第一端与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接；所述第二二极管的阳极与蓄电池的正极连接，第二二极管的阴极与第二开关管的第二端连接，第二开关管的第一端与滤波电感的一端、第四二极管的阴极连接；所述第三二极管的阴极与蓄电池的正极连接，第三二极管的阳极与第三开关管的第一端连接，第三开关管的第二端与滤波电感的另一端、第五二极管的阳极、第四开关管的第二端连接。
2.一种基于权利要求1所述的非隔离三端口直流开关变换器的控制方法，其特征在于，包括以下四种工作模式：
（1）光伏电池单独对负载供电工作模式：第二开关管、第三开关管关断，此时电路由第一开关管、第四开关管、第一二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（2）蓄电池单独对负载供电工作模式：第一开关管、第三开关管关断，此时电路由第二开关管、第四开关管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成升降压直流变换器；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（3）光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：第二开关管关断，电路由第一开关管、第三开关管和第四开关管、第一二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第四开关管关断，第三开关管导通时，滤波电感中的能量通过第三开关管、第四二极管和第三二极管续流，为蓄电池充电；当第一开关管、第三开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电；
（4）光伏电池和蓄电池共同对负载供电工作模式：第三开关管关断，电路由第一开关管、第二开关管和第四开关管、第一二极管、第二二极管、第四二极管、第五二极管、滤波电感和滤波电容组成直流变换器；当第一开关管、第四开关管导通时，光伏电池通过第一开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第二开关管、第四开关管导通时，蓄电池通过第二开关管和第四开关管对滤波电感充电；当第一开关管、第二开关管和第四开关管关断时，滤波电感中的能量通过第四二极管和第五二极管续流，为负载供电。
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