CN108539841A - 用于混合电源系统的组合dc-dc变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于混合电源系统的组合DC‑DC变换器，所述混合电源系统包括可再生能源发电装置、可充电电池、储能电容和连接至所述储能电容的逆变器，其中所述组合DC‑DC变换器包括：第一双向DC‑DC变换器和第二双向DC‑DC变换器，所述第一和第二双向DC‑DC变换器的输出端被配置连接至所述储能电容；以及开关组，其被配置用于将所述第一和第二双向DC‑DC变换器的输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的两端，或将所述第一和第二双向DC‑DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端。本发明的组合DC‑DC变换器的体积小、重量轻、成本低。

Description

用于混合电源系统的组合DC-DC变换器
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种用于混合电源系统的组合D C-DC变换器。
背景技术
独立光伏系统由于受到太阳光辐照强度、温度等环境因素的影响，光伏发电具有分时性、断续性等缺点，因此无法稳定向负载提供所需的电能。通过引入蓄电池储能系统的光储混合发电系统可以克服独立光伏系统的这些缺陷。
图1是现有技术中的光储混合发电系统的方框图。如图1所示，光伏电池11通过DC-DC变换器12连接至储能电容13的两端，可充电电池14通过双向DC-DC变换器15连接至储能电容13的两端，逆变器16的输入端连接至储能电容13两端，其输出端通过开关18连接至负载17。
在图1的光储混合发电系统中，当阳光充足时，DC-DC变换器12被控制为将光伏电池11两端的直流电压升压为预定的直流母线电压，以将光伏电池11中的电能储存在储能电容13中，从而通过逆变器16给负载17提供所需的交流电，且双向DC-DC变换器15被控制为将储能电容13两端的电压降压为所需的充电电压，以利用储能电容13中的电能对可充电电池14进行充电。当阳光不充足或没有阳光时，双向DC-DC变换器15被控制为将可充电电池14两端的电压升压为直流母线电压，以将可充电电池14中的电能储存在储能电容13中，从而通过逆变器16给负载17提供所需的交流电。
假定负载17的额定功率是6KW，为了能够持续并稳定向负载17提供6KW的电能，必须选用6KW以上的DC-DC变换器12和6KW以上的双向DC-DC变换器15。本领域的技术人员应知，DC-DC变换器12和双向DC-DC变换器15的功率越大，其体积越大、重量越重、成本越高。
因此，在光储混合发电系统的输出功率保持不变的情况下，如何减小其体积、减轻其重量并降低其成本，成为目前亟待解决的技术问题。
发明内容
针对现有技术存在的上述技术问题，本发明的实施例提供了一种用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，所述混合电源系统包括可再生能源发电装置、可充电电池、储能电容和连接至所述储能电容的逆变器，所述组合DC-DC变换器包括：
第一双向DC-DC变换器和第二双向DC-DC变换器，所述第一和第二双向DC-DC变换器的输出端被配置连接至所述储能电容；
开关组，其被配置用于将所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的两端，或将所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端。
优选的，所述开关组包括：第一开关，其被配置为将所述第一双向DC-DC变换器的正极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的正极；第二开关，其被配置为将所述第二双向DC-DC变换器的正极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的正极。
优选的，所述开关组还包括：第三开关，其被配置为将所述第一双向DC-DC变换器的负极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的负极；第四开关，其被配置为将所述第二双向DC-DC变换器的负极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的负极。
优选的，所述第一双向DC-DC变换器和第二双向DC-DC变换器相同。
优选的，所述双向DC-DC变换器包括：电感；具有第一反向并联二极管的第一开关管；具有第二反向并联二极管的第二开关管；其中所述电感的一端连接至所述第一反向并联二极管的阴极和所述第二反向并联二极管的阳极。
优选的，所述电感的另一端和所述第一反向并联二极管的阳极连接至所述第一双向DC-DC变换器的输入端，所述第二反向并联二极管的阴极和所述第一反向并联二极管的阳极连接至所述第一双向DC-DC变换器的输出端。
优选的，还包括控制器，其用于控制所述开关组的导通状态和所述第一和第二双向DC-DC变换器的工作模式。
优选的，当所述可再生能源发电装置能够提供负载所需的功率时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可再生能源发电装置的两端；以及控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压。
优选的，当所述可再生能源发电装置不能够提供负载所需的功率、且所述可充电电池具有电能时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；以及控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以将所述可充电电池两端的电压变换为预定的直流母线电压。
优选的，当所述可再生能源发电装置不能够提供电能，且所述可充电电池具有电能时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可充电电池的两端；以及控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以将所述可充电电池两端的电压变换为预定的直流母线电压。
优选的，当所述可再生能源发电装置的输出功率大于负载功率，且所述可充电电池的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；以及控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以对所述可充电电池进行充电。
优选的，所述混合电源系统包括与交流电源串联的旁路开关，当所述可再生能源发电装置具有电能，且所述可充电电池中的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；控制所述旁路开关闭合以使得所述交流电源中的交流电整流后储存在所述储能电容中；以及控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以利用所述储能电容上的电能对所述可充电电池进行充电。
优选的，所述混合电源系统包括与交流电源串联的旁路开关，当所述可再生能源发电装置不提供电能，且所述可充电电池中的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可充电电池的两端；控制所述旁路开关闭合以使得所述交流电源中的交流电整流后储存在所述储能电容中；以及控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以利用所述储能电容上的电能对所述可充电电池进行充电。
优选的，所述组合DC-DC变换器还包括：与第一双向DC-DC变换器并联的第三双向DC-DC变换器，所述控制器以相同的工作模式控制所述第一和第三双向DC-DC变换器；或与所述第二双向DC-DC变换器并联的第四双向DC-DC变换器，所述控制器以相同的工作模式控制第二和第四双向DC-DC变换器。
本发明的组合DC-DC变换器的体积小、重量轻、成本低。
附图说明
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：
图1是现有技术中的光储混合发电系统的方框图。
图2是根据本发明第一个实施例的混合电源系统的电路图。
图3是图2所示的混合电源系统处于第一工作模式的等效电路图。
图4是图2所示的混合电源系统处于第二工作模式的等效电路图。
图5是图2所示的混合电源系统处于第三工作模式的等效电路图。
图6是图2所示的混合电源系统处于第四工作模式的等效电路图。
图7是图2所示的混合电源系统处于第五工作模式的等效电路图。
图8是图2所示的混合电源系统处于第六工作模式的等效电路图。
图9是根据本发明第二个实施例的混合电源系统的电路图。
图10是根据本发明第三个实施例的混合电源系统的电路图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。
图2是根据本发明第一个实施例的混合电源系统的电路图。如图2所示，由光伏电池21和可充电电池24构成的混合电源通过组合DC-DC变换器2连接至储能电容23。组合DC-DC变换器2包括开关组27、双向DC-DC变换器22和双向DC-DC变换器25。
双向DC-DC变换器22、25完全相同。现仅以双向DC-DC变换器22为例进行说明，其包括一个电感L1和具有反向并联二极管D1、D2的开关管Q1、Q2，电感L1的一端连接至反向并联二极管D1的阴极和反向并联二极管D2的阳极，其中电感L1、开关管Q1和反向并联二极管D2构成Boost电路，电感L1、开关管Q2和反向并联二极管D1构成Buck电路。
开关组27包括四个开关S1、S2、S3和S4，其中开关S1和S3被控制为将双向DC-DC变换器22的正极输入端221和负极输入端222连接至光伏电池21或可充电电池24，开关S2和S4被控制为将双向DC-DC变换器25的正极输入端251和负极输入端252连接至光伏电池21或可充电电池24。
组合DC-DC变换器2还包括控制器28，其用于控制开关组27的切换或导通状态，以及控制双向DC-DC变换器22、25的工作模式。
下面将结合图3-8来详细说明本实施例的组合DC-DC变换器2的各个工作模式。
1、第一工作模式
假如负载20的功率为6KW，且光伏电池21能够提供功率为6KW的电能，控制器28控制开关S1、S2使得光伏电池21的正极211连接至双向DC-DC变换器22、25的正极输入端221、251，控制开关S3、S4使得光伏电池21的负极212连接至双向DC-DC变换器22、25的负极输入端222、252。
图3示出了混合电源系统处于第一工作模式的等效电路图。如图3所示，双向DC-DC变换器22、25并联连接在光伏电池21和储能电容23之间。控制器28控制双向DC-DC变换器22、25工作，给开关管Q1、Q3提供脉宽调制信号，分别将光伏电池21两端的直流电压升压为储能电容23两端所需的直流电压(即预定的直流母线电压)，同时将光伏电池21中的电能储存在储能电容23中。由于是通过双向DC-DC变换器22、25共同给储能电容23提供6KW的电能，可以选择功率较小(例如3KW)的双向DC-DC变换器22、25。
2、第二工作模式
假如负载20的功率为6KW，光伏电池21不足以提供功率为6KW的电能，且可充电电池24具有电能，控制器28控制开关S1、S3使得光伏电池21的正极211和负极212分别连接至双向DC-DC变换器22的正极输入端221和负极输入端222，且控制开关S2、S4使得可充电电池24的正极和负极分别连接至双向DC-DC变换器25的正极输入端251和负极输入端252。
图4示出了混合电源系统处于第二工作模式的等效电路图。如图4所示，控制器28控制双向DC-DC变换器22、25工作，给开关管Q1、Q3提供脉宽调制信号，分别将光伏电池21和可充电电池24两端的直流电压升压为预定的直流母线电压，同时将光伏电池21和可充电电池24中的电能储存在储能电容23中。由于是通过双向DC-DC变换器22、25共同给储能电容23提供6KW的电能，因此可以选择功率较小(例如3KW)的双向DC-DC变换器22、25。
3、第三工作模式
假如负载20的功率为6KW，光伏电池21无法提供电能，而可充电电池24具有电能，控制器28控制开关S1、S2使得可充电电池24的正极连接至双向DC-DC变换器22、25的正极输入端221、251，且控制开关S3、S4使得可充电电池24的负极连接至双向DC-DC变换器22、25的负极输入端222、252。
图5示出了混合电源系统处于第三工作模式的等效电路图。如图5所示，双向DC-DC变换器22、25并联连接在可充电电池24和储能电容23之间。控制器28控制双向DC-DC变换器22、25工作，给开关管Q1、Q3提供脉宽调制信号，将可充电电池24两端的直流电压升压为预定的直流母线电压，同时将可充电电池24中的电能储存在储能电容23中。由于是通过双向DC-DC变换器22、25共同给储能电容23提供6KW的电能，因此可以选择功率较小(例如3KW)的双向DC-DC变换器22、25。
4、第四工作模式
假如负载20的功率为2KW，光伏电池能够提供3KW的电能，且可充电电池24中的电能小于预定的阈值时，控制器28控制开关S1、S3使得光伏电池21的正极211和负极212分别连接至双向DC-DC变换器22的正极输入端221和负极输入端222，且控制开关S2、S4使得可充电电池24的正极和负极分别连接至双向DC-DC变换器25的正极输入端251和负极输入端252。
图6示出了混合电源系统处于第四工作模式的等效电路图。如图6所示，控制器28控制双向DC-DC变换器22工作，给开关管Q1提供脉宽调制信号，将光伏电池21两端的直流电压升压为预定的直流母线电压，从而将光伏电池21中的电能储存在储能电容23中。控制器28还控制双向DC-DC变换器25工作，给开关管Q4提供脉宽调制信号，从而在双向DC-DC变换器25的输入端得到降低的充电电压，同时利用储能电容23中的电能对可充电电池24进行充电。
5、第五工作模式
假如光伏电池21能够提供2KW的电能，且可充电电池24中的电能低于预定的阈值，控制器28控制开关S1、S3使得光伏电池21的正极211和负极212分别连接至双向DC-DC变换器22的正极输入端221和负极输入端222，控制开关S2、S4使得可充电电池24的正极和负极分别连接至双向DC-DC变换器25的正极输入端251和负极输入端252，且控制旁路开关S5、开关S6闭合，使得交流电源29通过全桥逆变器26中的二极管(图中未示出)构成的整流装置连接至储能电容23。
图7示出了混合电源系统处于第五工作模式的等效电路图。如图7所示，控制器28控制双向DC-DC变换器22工作，给开关管Q1提供脉宽调制信号，以将光伏电池21中的电能储存在储能电容23中，且控制双向DC-DC变换器25工作，给开关管Q4提供脉宽调制信号，以利用储能电容23中的电能对可充电电池24进行充电。
6、第六工作模式
假如光伏电池21无法提供电能，且可充电电池24中的电能低于预定值，控制器28控制开关S1、S2使得可充电电池24的正极连接至双向DC-DC变换器22、25的正极输入端221、251，且控制开关S3、S4使得可充电电池24的负极连接至双向DC-DC变换器22、25的负极输入端222、252，且控制旁路开关S5、开关S6闭合，使得交流电源29通过全桥逆变器26中的二极管构成的整流装置连接至储能电容23。
图8示出了混合电源系统处于第六工作模式的等效电路图。如图8所示，控制器28控制双向DC-DC变换器22、25工作，给开关管Q2、Q4提供脉宽调制信号，利用储能电容23上的电能对可充电电池24进行充电。由于是通过双向DC-DC变换器22、25共同以6KW的功率对可充电电池24进行充电，因此可以选择功率较小(例如3KW)的双向DC-DC变换器22、25。
通过上面的实施例，可以看出，本发明可以选用功率较小(相对于输出功率)的双向DC-DC变换器22、25，因此减小了组合DC-DC变换器2的体积、减轻其重量并降低其成本。
图9是根据本发明第二个实施例的混合电源系统的电路图。其与图2基本相同，区别在于，光伏电池31的负极和可充电电池34的负极与双向DC-DC变换器32、35的负极输入端322、352相连接。其中控制器38控制开关S31、S32的导通模式以及双向DC-DC变换器32、35的工作模式与图2基本相同，在此不再赘述。
图10是根据本发明第三个实施例的混合电源系统的电路图。其与图9基本相同，区别在于，组合DC-DC变换器4还包括与双向DC-DC变换器45并联的双向DC-DC变换器45’，即双向DC-DC变换器45’的输入端和输出端分别与双向DC-DC变换器45的输入端和输出端相连；且控制器48控制双向DC-DC变换器45、45’具有相同的工作模式，即给双向DC-DC变换器45、45’中相对应的开关管提供相同的脉宽调制信号，因此可以选择功率更小的双向DC-DC变换器45、45’。控制器48控制开关组47的导通模式以及双向DC-DC变换器42、45的工作模式与图9基本相同，在此不再赘述。
本领域的技术人员可知，在其它的实施例中，当光伏电池21和可充电电池24两端的电压高于预定的直流母线电压时，双向DC-DC变换器22、25的输出端通过开关组27连接至光伏电池21和可充电电池24，双向DC-DC变换器22的正极输入端221和负极输入端连接至储能电容23，且双向DC-DC变换器25的正极输入端251和负极输入端252连接至储能电容23。
在本发明的另一个实施例中，组合DC-DC变换器2还包括与双向DC-DC变换器22并联的一个或者多个双向DC-DC变换器。在本发明的又一个实施例中，组合DC-DC变换器2还包括与双向DC-DC变换器25并联的一个或者多个双向DC-DC变换器。
本发明的双向DC-DC变换器并不限制于由一个电感和两个具有反向并联二极管的开关管构成。在本发明的其它实施例中，还可以采用现有技术中的任意其他双向DC-DC变换器。
虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

Claims (14)

1.一种用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，所述混合电源系统包括可再生能源发电装置、可充电电池、储能电容和连接至所述储能电容的逆变器，其特征在于，所述组合DC-DC变换器包括：
第一双向DC-DC变换器和第二双向DC-DC变换器，所述第一和第二双向DC-DC变换器的输出端被配置连接至所述储能电容；
开关组，其被配置用于将所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的两端，或将所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端。
2.根据权利要求1所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述开关组包括：
第一开关，其被配置为将所述第一双向DC-DC变换器的正极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的正极；
第二开关，其被配置为将所述第二双向DC-DC变换器的正极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的正极。
3.根据权利要求2所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述开关组还包括：
第三开关，其被配置为将所述第一双向DC-DC变换器的负极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的负极；
第四开关，其被配置为将所述第二双向DC-DC变换器的负极输入端连接至所述可再生能源发电装置或可充电电池的负极。
4.根据权利要求1所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述第一双向DC-DC变换器和第二双向DC-DC变换器相同。
5.根据权利要求4所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述双向DC-DC变换器包括：
电感；
具有第一反向并联二极管的第一开关管；
具有第二反向并联二极管的第二开关管；
其中所述电感的一端连接至所述第一反向并联二极管的阴极和所述第二反向并联二极管的阳极。
6.根据权利要求5所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述电感的另一端和所述第一反向并联二极管的阳极连接至所述第一双向DC-DC变换器的输入端，所述第二反向并联二极管的阴极和所述第一反向并联二极管的阳极连接至所述第一双向DC-DC变换器的输出端。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，还包括控制器，其用于控制所述开关组的导通状态和所述第一和第二双向DC-DC变换器的工作模式。
8.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，当所述可再生能源发电装置能够提供负载所需的功率时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可再生能源发电装置的两端；以及
控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压。
9.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，当所述可再生能源发电装置不能够提供负载所需的功率、且所述可充电电池具有电能时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；以及
控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以将所述可充电电池两端的电压变换为预定的直流母线电压。
10.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，当所述可再生能源发电装置不能够提供电能，且所述可充电电池具有电能时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可充电电池的两端；以及
控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以将所述可充电电池两端的电压变换为预定的直流母线电压。
11.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，当所述可再生能源发电装置的输出功率大于负载功率，且所述可充电电池的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；以及
控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以对所述可充电电池进行充电。
12.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，所述混合电源系统包括与交流电源串联的旁路开关，其特征在于，当所述可再生能源发电装置具有电能，且所述可充电电池中的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端分别连接至所述可再生能源发电装置和可充电电池的两端；
控制所述旁路开关闭合以使得所述交流电源中的交流电整流后储存在所述储能电容中；以及
控制所述第一双向DC-DC变换器以将所述可再生能源发电装置两端的电压变换为预定的直流母线电压，且控制所述第二双向DC-DC变换器以利用所述储能电容上的电能对所述可充电电池进行充电。
13.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，所述混合电源系统包括与交流电源串联的旁路开关，其特征在于，当所述可再生能源发电装置不提供电能，且所述可充电电池中的电能小于预定的阈值时，所述控制器用于：
控制所述开关组使得所述第一和第二双向DC-DC变换器的输入端连接至所述可充电电池的两端；
控制所述旁路开关闭合以使得所述交流电源中的交流电整流后储存在所述储能电容中；以及
控制所述第一和第二双向DC-DC变换器以利用所述储能电容上的电能对所述可充电电池进行充电。
14.根据权利要求7所述的用于混合电源系统的组合DC-DC变换器，其特征在于，所述组合DC-DC变换器还包括：
与第一双向DC-DC变换器并联的第三双向DC-DC变换器，所述控制器以相同的工作模式控制所述第一和第三双向DC-DC变换器；或
与所述第二双向DC-DC变换器并联的第四双向DC-DC变换器，所述控制器以相同的工作模式控制第二和第四双向DC-DC变换器。
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