CN110855145B - 三端口直流变换器及其控制方法和电路 - Google Patents

三端口直流变换器及其控制方法和电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了六种三端口直流变换器及其控制方法和电路。其中一种，二极管D2的阴极连接到开关管S1的漏极，S1的源极连接到二极管D1的阴极和储能电感L的一端，D1的阳极连接到开关管S2的源极。控制方法为，直流变换器的输入电压的采样值和参考值，经误差放大后再与锯齿波比较，生成驱动信号控制S1；同时，直流变换器的负载电压的采样值和参考值，经误差放大后再与锯齿波比较，生成驱动信号控制S2。控制电路为，两个误差放大器的输出端分别连接到两个比较器的输入端，两个比较器还输入锯齿波，两个比较器的输出端分别用于连接S1和S2的栅极。本发明的有益效果在于，采用单个变换器即可实现输入源、储能设备和负载之间的功率管理与控制。

Description

三端口直流变换器及其控制方法和电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别是三端口直流变换器及其控制方法和控制电路。
背景技术
近年来，随着环境污染和能源危机问题的加剧，利用太阳能、氢能、风能等新能源进行发电成为研究的热点。新能源发电系统按照是否与电网连接分为并网运行和独立运行两种运行方式，独立运行的新能源发电系统因为其结构简单，供电质量高等优点被广泛应用于偏远山区、海岛、工业园区等无电网地区的供电，除此之外，独立运行的新能源发电系统也被广泛应用于新能源汽车、独立LED照明系统的供电中。但是，由于新能源发电系统的输出特性往往与环境因素密切相关，不同环境条件下新能源发电系统的输出特性具有随机性和波动性，因此，在独立运行的新能源发电系统中必须配备储能单元来存储和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和稳定性的要求。
在传统的新能源发电系统中，由于需要同时管理输入源、储能设备和负载，往往需要多个独立的变换器进行电能变换和能量的管理，系统结构复杂，效率低，成本高，无法实现集中式控制。为了进一步提高系统的效率，降低系统成本。针对上述系统存在的问题，研究者提出将三端口变换器应用于新能源发电系统中，从而改进系统的效率，减小成本，提高功率密度，并实现集中式控制。已经有很多文献提出了多种三端口变换器的拓扑，如文献“Hongfei Wu,Peng Xu,Haibing Hu,Zhou Zihu,Yan Xing.Multiport converters basedon integration of full-bridge and bidirectional dc-dc topologies forrenewable generation systems,IEEE Trans.Ind.Electron.,2014,61(2),856-869”，“Jianwu Zeng,Wei Qiao,Liyan Qu,Yanping Jiao,An isolated multiport dc-dcconverter for simultaneous power management of multiple different renewableenergy sources,IEEE J.Emerg.Sel.Topics Power Electron.,2014,2(1),70-78.”上述拓扑适用于高电压等级，大功率的应用场合。但是，均存在器件数量多，体积较大，功率密度低，成本高，控制复杂的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了六种可同时实现输入功率源、储能设备和负载之间的功率流管理的三端口直流变换器及其控制方法和控制电路。
第一种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和储能电感L；D2的阴极连接到S1的漏极，S1的源极连接到D1的阴极和L的一端，D1的阳极连接到S2的源极；D2的阳极和S2的漏极和分别为输入端的正极和负极，D2的阴极和S2的源极和分别为储能端的正极和负极，L的另一端和S2的漏极分别为负载端的正极和负极。
第二种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和储能电感L；L的一端连接到S1的漏极和D1的阳极，S1的源极连接到D2的阳极，D1的阴极连接到S2的漏极；L的另一端和D2的阴极分别为输入端的正极和负极，D1的阴极和S1的源极分别为储能端的正极和负极，S2的源极和D2的阴极分别为负载端的正极和负极。
第三种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2和储能电感L；D2的阴极连接到S1的漏极，S1的源极连接到D1的阴极和L的一端，D1的阳极连接到S2的源极；D2的阳极和L的另一端分别为输入端的正极和负极，D2的阴极和D1的阳极分别为储能端的正极和负极，S2的漏极和L的另一端分别为负载端的正极和负极。
第四种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2和储能电容C1；L1的一端连接到D2的阳极和C1的一端，C1的另一端连接到S2的漏极和L2的一端，D2的阴极连接到S1的漏极，S2的源极连接到D1的阳极，D1的阴极连接到S1的源极；L1的另一端和S1的源极分别为输入端的正极和负极，D2的阴极和S2的源极分别为储能端的正极和负极，L2的另一端和D1的阴极分别为负载端的正极和负极。
第五种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2和储能电容C1；L1的一端连接到S1的漏极和C1的一端，C1的另一端连接到D1的阳极和L2的一端，S1的源极连接到D2的阳极，D1的阴极连接到S2的漏极，L2的另一端连接到D2的阴极；L1的另一端和D2的阴极分别为输入端的正极和负极，D1的阴极和S1的源极分别为储能端的正极和负极，S2的源极和L2的另一端分别为负载端的正极和负极。
第六种三端口直流变换器，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2和储能电容C1；D2的阴极连接到S1的漏极，S1的源极连接到L1的一端和C1的一端，C1的另一端连接到D1的阴极和L2的一端，D1的阳极连接到S2的源极，S2的漏极连接到L1的另一端；D2的阳极和L1的另一端分别为输入端的正极和负极，D2的阴极和D1的阳极分别为储能端的正极和负极，L2的另一端和S2的漏极分别为负载端的正极和负极。
一种三端口直流变换器的控制方法，直流变换器输入电压的采样值v1和参考值V1_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs1控制直流变换器的第一开关管；同时，直流变换器负载电压的采样值vo和参考值Vo_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs2控制直流变换器的第二开关管。
进一步地，所述输入电压的参考值V1_ref，由直流变换器输入电压的采样值v1和输入电流采样值i1通过MPPT算法得到。
一种三端口直流变换器的控制电路，包括第一误差放大器EA1、第二误差放大器EA2、第一比较器CMP1和第二比较器CMP2；EA1的输入端用于输入直流变换器输入电压的采样值v1和参考值V1_ref，输出端连接到CMP1的正输入端；EA2的输入端用于输入直流变换器负载电压的采样值vo和参考值Vo_ref，输出端连接到CMP2的正输入端；CMP1和CMP2的负输入端用于输入锯齿波vt；CMP1的输出端用于连接直流变换器的第一开关管的栅极，CMP2的输出端用于连接直流变换器的第二开关管的栅极。
进一步地，还包括MPPT控制器；所述MPPT控制器的输入端用于输入直流变换器输入电压的采样值v1和输入电流采样值i1，输出端连接到EA1的一个输入端。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用单个变换器即可实现输入源、储能设备和负载之间的功率管理与控制。
(2)变换器仅包括两个开关管，成本低，控制简单。
(3)任意两个端口之间均为单级功率变换，能够实现集中式控制。
附图说明
图1为第一种三端口直流变换器的结构原理图。
图2为第二种三端口直流变换器的结构原理图。
图3为第三种三端口直流变换器的结构原理图。
图4为第四种三端口直流变换器的结构原理图。
图5为第五种三端口直流变换器的结构原理图。
图6为第六种三端口直流变换器的结构原理图。
图7为三端口直流变换器的控制电路原理图。
图8为三端口直流变换器的两种驱动信号。
图9为第四种三端口直流变换器的四种开关状态下的等效电路。其中，图9(a)是第一开关管S1和第二开关管S2同时导通时的等效电路，图9(b)是第一开关管S1导通，第二开关管S2关断时的等效电路，图9(c)是第一开关管S1关断，第二开关管S2导通时的等效电路，图9(d)是第一开关管S1和第二开关管S2同时关断时的等效电路。
图10为第四种三端口直流变换器在负载跳变时的仿真结果。
图11为第四种三端口直流变换器在输入跳变时的仿真结果。
图10和图11中的符号说明：v1为输入源两端的电压，i1为输入源的电流，vo为负载两端的电压，io为流过负载的电流，ibat为储能设备的放电电流，iL1和iL2分别是第一储能电感L1和第二储能电感L2的电流，Ibat是储能设备电流的平均值。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。
图1所示，第一种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、储能电感L、滤波电容C和负载R，其中：第二二极管D2的阳极与输入源V1的正极相连，第二二极管D2的阴极分别与储能设备的负极和第一开关管S1的漏极相连，第一开关管S1的源极分别与储能电感L的一端和第一二极管D1的阴极相连，第一二极管D1的阳极分别与储能设备V2的正极和第二开关管S2的源极相连，储能电感L的另一端分别连接至滤波电容C的一端和负载R的一端，负载R的另一端分别连接至输入源V1的负极、第二开关管S2的漏极和滤波电容C的另一端。
图2所示，第二种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、储能电感L、滤波电容C和负载R，其中：储能电感L的一端与输入源V1的正极连接，储能电感L的另一端分别连接至第一二极管D1的阳极和第一开关管S1的漏极，第一开关管S1的源极分别与储能设备V2的正极和第二二极管D2的阳极相连，第一二极管D1的阴极分别与储能设备V2的负极和第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的漏极分别连接至滤波电容C的一端和负载R的一端，负载R的另一端分别与输入源V1的负极、第二二极管D2的阴极和滤波电容C的另一端相连。
图3所示，第三种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、储能电感L、滤波电容C和负载R，其中：第二二极管D2的阳极与输入源V1的正极相连，第二二极管D2的阴极分别与储能设备V2的负极和第一开关管S1的源极相连，第一开关管S1的漏极分别与储能电感L的一端和第一二极管D1的阴极相连，第一二极管D1的阳极分别与储能设备V2的正极和第二开关管S2的源极相连，第二开关管S2的漏极分别连接至滤波电容C的一端和负载R的一端，负载R的另一端分别连接至输入源V1的负极、储能电感L的另一端和滤波电容C的另一端。
图4所示，第四种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2、储能电容C1、滤波电容C2和负载R，其中：第一储能电感L1的一端与输入源V1的正极相连，第一储能电感L1的另一端分别与储能电容C1的一端和第二二极管D2的阳极相连，第二二极管D2的阴极分别与储能设备V2的正极和第一开关管S1的漏极相连，储能电容C1的另一端分别与第二储能电感L2的一端和第二开关管S2的漏极连接，第二开关管S2的源极分别与储能设备V2的负极和第一二极管D1的阳极相连，第二储能电感L2的另一端分别与滤波电容C2的一端和负载R的一端相连，负载R的另一端分别连接至输入源V1的负极、第一开关管S1的源极、第一二极管D1的阴极和滤波电容C2的另一端。
图5所示，第五种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2、储能电容C1、滤波电容C2和负载R，，其中：第一储能电感L1的一端与输入源V1的正极相连，第一储能电感L1的另一端分别与储能电容C1的一端和第一开关管S1的漏极相连，第一开关管S1的源极分别与储能设备V2的负极和第二二极管D2的阳极相连，储能电容C1的另一端分别与第二储能电感L2的一端和第一二极管D1的阳极相连，第一二极管D1的阴极分别与储能设备V2的正极和第二开关管S2的漏极相连，第二开关管S2的源极分别连接至滤波电容C2的一端和负载R的一端，负载R的另一端分别连接至输入源V1的负极、第二二极管D2的阴极、第二储能电感L2的另一端和滤波电容C2的另一端。
图6所示，第六种三端口直流变换器，包括输入源V1、储能设备V2、第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2、储能电容C1、滤波电容C2和负载R，其中：第二二极管D2的阳极与输入源V1的正极连接，第二二极管D2的阴极分别与第一开关管S1的漏极和储能设备V2的正极连接，第一开关管S1的源极分别与第一储能电感L1的一端和储能电容C1的一端连接，储能电容C1的另一端分别连接至第一二极管D1的阴极和第二储能电感L2的一端，第一二极管D1的阳极分别与储能设备V2的负极和第二开关管S2的源极连接，第二储能电感L2的另一端分别与滤波电容C2的一端和负载R的一端连接，负载R的另一端分别连接至输入源V1的负极、第一储能电感L1的另一端、第一二极管D1的阳极和滤波电容C2的另一端。
其中，后三种变换器增加了储能电容C1和第二储能电感L2，相对于前三种变换器具有端口间电压约束更小、应用范围更广和输入/输出电流连续的技术效果。
三端口直流变换器的控制方法是：输入源V1的电压采样值v1和参考值V1_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs1控制第一开关管S1；同时，负载R的电压采样值vo和参考值Vo_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs2控制第二开关管S2。该控制方法可以应用于上述六种两开关三端口直流变换器。特别地，如输入源V1为新能源，则输入电压的参考值V1_ref，由输入源V1的电压采样值v1和输入电流采样值i1通过MPPT(maximum power point tracking，最大功率点跟踪)算法得到。
上述控制方法，可以采用如图7所示的控制电路，包括：MPPT控制器、第一误差放大器EA1、第二误差放大器EA2、第一比较器CMP1和第二比较器CMP2。MPPT控制器的输入为输入源V1的采样电压v1和采样电流i1，输出连接至第一误差放大器EA1的一个输入端，第一误差放大器EA1的另一个输入端为输入源V1的采样电压v1，第一误差放大器EA1的输出连接至第一比较器CMP1的一个输入端，第一比较器CMP1的另一输入端为锯齿波vt，第二误差放大器EA2的输入为负载电压的采样值vo和参考值Vo_ref，输出端连接至第二比较器CMP2的一个输入端，第二比较器CMP2的另一输入端为锯齿波vt。第一比较器CMP1的输出作为第一开关管S1的驱动信号，第二比较器CMP2的输出作为第二开关管S2的驱动信号，通过调节第一开关管S1的占空比调节输入源的功率，通过调节第二开关管S2的占空比调节负载电压。其中，使用MPPT控制器得到输入电压参考值V1_ref，通常用于输入源V1为新能源的情形。
图8所示为采用控制电路之后，两种可能的开关驱动信号。第一种开关驱动信号下，第一开关管S1的导通占空比大于第二开关管S2的导通占空比，第二种开关驱动信号下，第一开关管S1的导通占空比小于第二开关管S2的导通占空比。
第一种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>v1>vo；第二种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>vo>v1；本第三种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>v1；第四种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>v1+vo；第五种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>vo；第六种三端口直流变换器要求输入源电压v1，负载电压vo及储能设备电压v2满足关系v2>v1。
下面以图4所示的三端口直流变换器为例，来说明本发明的工作原理，其它五种三端口直流变换器的工作原理与之类似。
图4所示的三端口直流变换器。在该系统中，输入源V1作为系统的主功率源来为负载提供能量，一般光伏电池、燃料电池等可以作为输入源V1，当输入源所能提供的最大功率大于负载所需求的功率时，储能设备呈现为充电状态，当输入源所能提供的最大功率小于负载所需求的功率时，储能设备呈现为放电状态。采用图7所示的控制电路，系统能够通过输入源和负载的功率关系进行功率流控制和管理。
图9所示为第四种三端口直流变换器可能的四种开关状态对应的等效电路，其中图9(a)是第一开关管S1和第二开关管S2同时导通时的等效电路(状态1)，该开关状态下，第一二极管D1和第二二极管D2均关断，储能设备向第一储能电感L1和第二储能电感L2放电；图9(b)是第一开关管S1导通，第二开关管S2关断时的等效电路(状态2)，该开关状态下，第一二极管D1关断，第二二极管D2导通，储能设备不参与工作，输入源V1给第一储能电感L1充电，储能电容C1给第二储能电感L2充电；图9(c)是第一开关管S1关断，第二开关管S2导通时的等效电路(状态3)，该开关状态下，第一二极管D1导通，第二二极管D2关断，储能设备不参与工作，第一储能电感L1给储能电容C1充电，第二储能电感L2给负载放电；图9(d)是第一开关管S1和第二开关管S2同时关断时的等效电路(状态4)，该开关状态下，第一二极管D1和第二二极管D2均导通，第一储能电感L1和第二储能电感L2均向储能设备放电。
当第一开关管S1的导通占空比大于第二开关管S2的导通占空比时(对应图8所示的第一种开关驱动信号)，在一个开关周期内依次出现状态1，状态2，状态4；当第一开关管S1的导通占空比小于第二开关管S2的导通占空比时(对应图8所示的第二种开关驱动信号)，在一个开关周期内依次出现状态1，状态3，状态4。
用PSIM仿真软件对第四种三端口直流变换器进行时域仿真分析，其中输入源V1采用光伏电池模型，光伏电池的最大功率点电压为25V，最大功率点电流为2A～12A，其他系统参数设置为：负载功率范围为0W～300W，储能设备电压v1＝80V，负载电压vo＝48V，储能电容C1＝1000μF，滤波电容C2＝1000μF，储能电感L＝300μH，开关频率为fs＝100kHz，系统仿真结果如下。
图10所示为第四种三端口直流变换器当负载在100W和300W之间跳变时的仿真结果，其中光伏电池的最大功率点电流为8A，从仿真结果能够看出，当负载跳变时，光伏电池始终工作在其最大功率点，负载电压保持恒定，当负载功率为300W时，储能设备处于放电状态，当负载功率为100W时，储能设备处于充电状态。
图11所示为第四种三端口直流变换器当光伏的最大功率点电流在6A和10A之间跳变时的仿真结果，其中负载保持恒定200W，从仿真结果能够看出，当输入跳变时，光伏电池始终工作于其最大功率点，负载电压保持恒定，当光伏电池的最大功率点电流为6A时，储能设备处于放电状态，当光伏电池的最大功率点电流为10A时，储能设备处于充电状态。

Claims (6)

1.一种三端口直流变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2和储能电容C1；L1的一端连接到S1的漏极和C1的一端，C1的另一端连接到D1的阳极和L2的一端，S1的源极连接到D2的阳极，D1的阴极连接到S2的漏极，L2的另一端连接到D2的阴极；L1的另一端和D2的阴极分别为输入端的正极和负极，D1的阴极和S1的源极分别为储能端的正极和负极，S2的源极和L2的另一端分别为负载端的正极和负极。
2.一种三端口直流变换器，其特征在于，包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一二极管D1、第二二极管D2、第一储能电感L1、第二储能电感L2和储能电容C1；D2的阴极连接到S1的漏极，S1的源极连接到L1的一端和C1的一端，C1的另一端连接到D1的阴极和L2的一端，D1的阳极连接到S2的源极，S2的漏极连接到L1的另一端；D2的阳极和L1的另一端分别为输入端的正极和负极，D2的阴极和D1的阳极分别为储能端的正极和负极，L2的另一端和S2的漏极分别为负载端的正极和负极。
3.如权利要求1或2所述的一种三端口直流变换器的控制方法，其特征在于，直流变换器输入电压的采样值v1和参考值V1_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs1控制直流变换器的第一开关管；同时，直流变换器负载电压的采样值vo和参考值Vo_ref，经误差放大后再与锯齿波vt比较，生成驱动信号Vgs2控制直流变换器的第二开关管。
4.如权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述输入电压的参考值V1_ref，由直流变换器输入电压的采样值v1和输入电流采样值i1通过MPPT算法得到。
5.如权利要求1或2所述的一种三端口直流变换器的控制电路，其特征在于，包括第一误差放大器EA1、第二误差放大器EA2、第一比较器CMP1和第二比较器CMP2；EA1的输入端用于输入直流变换器输入电压的采样值v1和参考值V1_ref，输出端连接到CMP1的正输入端；EA2的输入端用于输入直流变换器负载电压的采样值vo和参考值Vo_ref，输出端连接到CMP2的正输入端；CMP1和CMP2的负输入端用于输入锯齿波vt；CMP1的输出端用于连接直流变换器的第一开关管的栅极，CMP2的输出端用于连接直流变换器的第二开关管的栅极。
6.如权利要求5所述的控制电路，其特征在于，还包括MPPT控制器；所述MPPT控制器的输入端用于输入直流变换器输入电压的采样值v1和输入电流采样值i1，输出端连接到EA1的一个输入端。
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