CN109599934A - 多端口功率单元可扩展式光伏充电器 - Google Patents

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王磊
段金沛
查达润
杨泰榟
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Abstract

本发明公开一种多端口功率单元可扩展式光伏充电器，包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器。本发明解决了现有技术中使用单级拓扑的充电器输出端口数目无法扩展和具有母线电容的多级拓扑的充电器中母线电容使用大容量电解电容或超级电容的问题，实现了在光照充足时，使用小容量电容即可保证母线电压的稳定，对电池充电电压和电流的控制，在光照不足时，实现了光伏能量的最大利用。

Description

多端口功率单元可扩展式光伏充电器
技术领域
本发明涉及光伏充电器技术领域，尤其涉及一种多端口功率单元可扩展式光伏充电器。
背景技术
目前的光伏充电器中，使用单级拓扑的充电器输出端口数目无法扩展，而具有母线电容的多级拓扑的充电器中母线电容需使用大容量电解电容或超级电容，在光照充足时，需使用大容量电解电容或超级电容才能保证母线电压的稳定，而在光照不足时，不能实现光伏能量的最大利用。
发明内容
本发明的主要目的在于提出多端口功率单元可扩展式光伏充电器，旨在实现在光照充足时，使用小容量电容即可保证母线电压的稳定，在光照充足时，实现光伏能量的最大利用。
为实现上述目的，本发明提供一种多端口功率单元可扩展式光伏充电器，包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器。
本发明的进一步的技术方案是，所述第一控制器与外界光伏板连接，每个第二控制器分别与对应的外界可充电电池连接；
在所述公共直流母线电压高于或等于预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器进入公共直流母线电压闭环模式，其中，所述临界母线电压值为第一控制器从MPPT模式切换至母线电压闭环控制模式时的电压值；
在所述公共直流母线电压低于所述预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器处于MPPT模式；
在所述光伏板可输出功率大于或等于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器将所述公共直流母线电压稳定在所述预先设定的临界母线电压值，所述第二控制器通过所述第二变换器对所述可充电电池进行充电电流和充电电压的控制；
在所述光伏板可输出最大功率小于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器对所述光伏板的最大功率进行跟踪。
本发明的进一步的技术方案是，所述第一变换器为单向DC/DC变换器。
本发明的进一步的技术方案是，所述单向DC/DC变换器为Buck变换器或者Boost变换器。
本发明的进一步的技术方案是，所述第一变换器为Buck变换器。
本发明的进一步的技术方案是，所述第一变换器包括电容C1、电感L1、MOS管Q1、以及二极管D1，所述直流母线包括电容C2，其中，所述电容C1的一端与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另外一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D1的阴极与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所电容C1的另一端、所述MOS管Q1的源极连接。
本发明的进一步的技术方案是，所述第一变换器包括电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1、变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述直流母线包括电容C2，其中，其中，所述电容C1的一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述MOS管Q3的漏级连接，所述MOS管Q1的源极分别与所述MOS管Q2的漏级、所述变压器T1的1脚连接，所述MOS管Q3的源极分别与所述MOS管Q4的漏级、所述变压器T1的2脚连接，所述MOS管Q2的源级、MOS管Q4的源级分别与所述电容C1的另一端连接，所述变压器T1的3脚分别与所述二极管D1的阳极、所述二极管D3的阴极连接，所述二极管D1的阴极分别与所述二极管D2的阴极、所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所述二极管D3的阳极、所述二极管D4的阳极连接，二极管D2的阳极、所述二极管D4的阴极分别与所述变压器T1的4脚连接。
本发明的有益效果是：本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器通过上述技术方案，包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器，解决了现有技术中使用单级拓扑的充电器输出端口数目无法扩展和具有母线电容的多级拓扑的充电器中母线电容使用大容量电解电容或超级电容的问题，实现了在光照充足时，使用小容量电容即可保证母线电压的稳定，对电池充电电压和电流的控制，在光照不足时，实现了光伏能量的最大利用。
附图说明
图1是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例的整体架构图；
图2是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例中光伏输入端口的第一种拓扑形式示意图；
图3是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例中光伏输入端口的第二种拓扑形式示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参照图1至图3，本发明提出一种多端口功率单元可扩展式光伏充电器。其中，图1是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例的整体架构图，图2是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例中光伏输入端口的第一种拓扑形式示意图，图3是本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器较佳实施例中光伏输入端口的第二种拓扑形式示意图。
如图1所示，本实施例中，该多端口功率单元可扩展式光伏充电器包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器。
其中，所述第一控制器与外界光伏板连接，每个第二控制器分别与对应的外界可充电电池连接，在所述公共直流母线电压高于或等于预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器进入公共直流母线电压闭环模式，其中，所述临界母线电压值为第一控制器从MPPT模式切换至母线电压闭环控制模式时的电压值；在所述公共直流母线电压低于所述预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器处于MPPT模式。
在光照充足，所述光伏板可输出功率大于或等于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器将所述公共直流母线电压稳定在所述预先设定的临界母线电压值，所述第二控制器通过所述第二变换器对所述可充电电池进行充电电流和充电电压的控制。
在光照不足，所述光伏板可输出最大功率小于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器对所述光伏板的最大功率进行跟踪。
作为一种实施方式，本实施例中，所述第一变换器可以采用单向DC/DC变换器，例如Buck或者Boost等单向DC/DC变换器。此外，本实施例中，所述第一变换器为Buck变换器。
进一步的，作为一种实施方式，如图2所示，所述第一变换器包括电容C1、电感L1、MOS管Q1、以及二极管D1，所述直流母线包括电容C2，其中，所述电容C1的一端与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另外一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D1的阴极与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所电容C1的另一端、所述MOS管Q1的源极连接。
进一步的，作为一种实施方式，如图3所示，所述第一变换器包括电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1、变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述直流母线包括电容C2，其中，其中，所述电容C1的一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述MOS管Q3的漏级连接，所述MOS管Q1的源极分别与所述MOS管Q2的漏级、所述变压器T1的1脚连接，所述MOS管Q3的源极分别与所述MOS管Q4的漏级、所述变压器T1的2脚连接，所述MOS管Q2的源级、MOS管Q4的源级分别与所述电容C1的另一端连接，所述变压器T1的3脚分别与所述二极管D1的阳极、所述二极管D3的阴极连接，所述二极管D1的阴极分别与所述二极管D2的阴极、所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所述二极管D3的阳极、所述二极管D4的阳极连接，二极管D2的阳极、所述二极管D4的阴极分别与所述变压器T1的4脚连接。
下面再次结合图1对本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器的整体结构及工作原理进行详细阐述。
本发明提出的多端口功率单元可扩展式光伏充电器包括N个功率模块。其中，每个功率模块包括一个DC/DC变换器和一个控制器。N个功率模块中的N个变换器构成一个具有公共直流母线形式的N端口变换器。其中，模块1的变换器可以是Buck、Boost等单向DC/DC变换器，其端口是以光伏作为输入源的接口。另外N-1个变换器为Buck变换器，共构成N-1个端口，这N-1个端口是以可充电电池作为负载的接口。各个控制器对所属模块中的变换器进行控制。模块1的控制器实现对光伏板的最大功率跟踪或者公共直流母线电压的控制，当检测到公共直流母线电压高于或等于模块1的控制器中设定的从MPPT模式切换至母线电压闭环控制模式的临界母线电压值时，控制器进入公共直流母线电压闭环模式，否则处于MPPT模式。其中，母线电压闭环模式可以使用PI、PID或滞环控制等闭环控制方式，MPPT模式可以使用扰动观察法或爬山发等MPPT算法。另外N-1个控制器实现对所属模块中连接的电池进行充电电流和充电电压的控制，控制方法可以是PI、PID或滞环控制等闭环控制方法。当光照充足，光伏板可输出最大功率大于或等于充电器总输出功率时，模块1的控制器通过控制模块1的变换器实现公共直流母线电压稳定在设定电压值，另外N-1个控制器通过控制各自所属模块的变换器实现对各自模块所连接的电池进行充电电流或电压大小的控制。当光照不足，光伏板可输出最大功率小于充电器所要求的总输出功率时，模块2至N对各自所属模块的变换器的控制方式不变。模块1的变换器无法实现公共直流母线电压的稳定，公共直流母线电压跌落。当母线电压跌落至模块1的控制器中设定的从MPPT模式切换至母线电压闭环控制模式的临界母线电压值以下时，模块1的控制器将进行MPPT控制，控制模块1的变换器实现光伏的最大功率跟踪。
综上所述，本发明多端口功率单元可扩展式光伏充电器通过上述技术方案，包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器，解决了现有技术中使用单级拓扑的充电器输出端口数目无法扩展和具有母线电容的多级拓扑的充电器中母线电容使用大容量电解电容或超级电容的问题，实现了在光照充足时，使用小容量电容即可保证母线电压的稳定，对电池充电电压和电流的控制，在光照不足时，实现了光伏能量的最大利用。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，包括直流母线、第一功率模块、至少两个第二功率模块，所述第一功率模块包括第一变换器、用于控制所述第一变换器的第一控制器，每个第二功率模块均包括第二变换器、用于控制所述第二变换器的第二控制器，所述第一变换器、每个第二控制器均与所述直流母线连接构建成具有公共直流母线的多端口变换器。
2.根据权利要求1所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述第一控制器与外界光伏板连接，每个第二控制器分别与对应的外界可充电电池连接；
在所述公共直流母线电压高于或等于预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器进入公共直流母线电压闭环模式，其中，所述临界母线电压值为第一控制器从MPPT模式切换至母线电压闭环控制模式时的电压值；
在所述公共直流母线电压低于所述预先设定的临界母线电压值时，所述第一控制器处于MPPT模式；
在所述光伏板可输出功率大于或等于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器将所述公共直流母线电压稳定在所述预先设定的临界母线电压值，所述第二控制器通过所述第二变换器对所述可充电电池进行充电电流和充电电压的控制；
在所述光伏板可输出最大功率小于所有可充电电池的总输出功率时，所述第一控制器通过所述第一变换器对所述光伏板的最大功率进行跟踪。
3.根据权利要求2所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述第一变换器为单向DC/DC变换器。
4.根据权利要求3所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述单向DC/DC变换器为Buck变换器或者Boost变换器。
5.根据权利要求3所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述第一变换器为Buck变换器。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述第一变换器包括电容C1、电感L1、MOS管Q1、以及二极管D1，所述直流母线包括电容C2，其中，所述电容C1的一端与所述电感L1的一端连接，所述电感L1的另外一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述二极管D1的阳极连接，所述二极管D1的阴极与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所电容C1的另一端、所述MOS管Q1的源极连接。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的多端口功率单元可扩展式光伏充电器，其特征在于，所述第一变换器包括电容C1、MOS管Q1、MOS管Q2、MOS管Q3、MOS管Q4、电感L1、变压器T1、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，所述直流母线包括电容C2，其中，其中，所述电容C1的一端分别与所述MOS管Q1的漏级、所述MOS管Q3的漏级连接，所述MOS管Q1的源极分别与所述MOS管Q2的漏级、所述变压器T1的1脚连接，所述MOS管Q3的源极分别与所述MOS管Q4的漏级、所述变压器T1的2脚连接，所述MOS管Q2的源级、MOS管Q4的源级分别与所述电容C1的另一端连接，所述变压器T1的3脚分别与所述二极管D1的阳极、所述二极管D3的阴极连接，所述二极管D1的阴极分别与所述二极管D2的阴极、所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端分别与所述二极管D3的阳极、所述二极管D4的阳极连接，二极管D2的阳极、所述二极管D4的阴极分别与所述变压器T1的4脚连接。
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