CN112737328B - 一种非隔离型高增益三端口变换器 - Google Patents

一种非隔离型高增益三端口变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非隔离型高增益三端口变换器。包括光伏电池输入端口，蓄电池端口，负载端口，第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管，第一电感、第二电感、第三电感，第一电容、第二电容、第三电容。通过对四个开关管的控制，采用一个变换器即可实现光伏电池、蓄电池和负载三者之间的能量管理与控制。该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。具有成本低、增益高、变换效率高，工作方式灵活和可靠性高等优点。

Description

一种非隔离型高增益三端口变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种非隔离型高增益三端口变换器。
背景技术
随着人类对能源需求的增长和全球一次能源的逐渐枯竭，太阳能光伏发电和燃料电池发电系统等越来越受到重视。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。
在传统的新能源联合发电系统中，每种新能源的接入均需要对应一个DC-DC变换器，将各能源变换成直流电压输出，并联在公共的直流母线上，其存在两方面的缺陷：一方面结构复杂且成本较高；另一方面，变换器中开关管和二极管的电压应力高。为了简化电路结构以及降低系统成本，采用一个多输入直流变换器代替多个单输入直流变换器，成为当前新能源联合发电系统的发展趋势。
由于单体燃料电池或光伏电池的直流输出电压等级较低，无法满足并网逆变器直流侧的电压等级要求，因此需要在发电系统的直流母线侧前端增加高增益直流变换器来提升电压等级，供给后级的并网逆变器。因此，高增益多端口变换器是开关变换器领域的研究热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非隔离型高增益三端口变换器，该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。具有成本低、增益高、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：一种非隔离型高增益三端口变换器，包括光伏电池输入端口，蓄电池端口，负载端口，开关管S1-S4，二极管D1-D6，电感L1-L3，电容C1、C2、CBAT；蓄电池端口正极与CBAT的正极、S3的漏极、L3的一端连接，蓄电池端口负极与CBAT的负极、D1的阳极、光伏电池输入端口负极、S1的源极、C2的负极、负载端口负极连接，光伏电池输入端口正极与S2的漏极连接，S1的漏极与L2的一端、D5的阴极、D6的阳极连接，S2的源极与D2的阳极连接，D2的阴极与L1的一端、C1的负极、D3的阴极连接，S3的源极与D3的阳极连接，S4的源极与D1的阴极与L3的另一端连接，S4的漏极与C1的正极、L2的另一端、D4的阴极连接，D4的阳极与L1的另一端、D5的阳极连接，D6的阴极与C2的正极、负载端口正极连接。
在本发明一实施例中，所述变换器通过对开关管S1-S4的控制，即可实现光伏电池、蓄电池和负载三者之间的能量管理与控制。
在本发明一实施例中，所述变换器有如下四种工作模式控制方法：
1)光伏电池单独对负载供电模式：S2始终处于导通状态，S3、S4始终处于关断状态，通过控制S1实现光伏电池对负载供电；
2)蓄电池单独供电模式：S3始终处于导通状态，S2和S4始终处于关断状态，通过控制S1实现蓄电池对负载供电；
3)光伏电池对负载供电以及对蓄电池充电模式：S2始终处于导通状态，S3始终处于关断状态，通过控制S1实现光伏电池对负载供电，通过控制S4实现光伏电池对蓄电池充电；
4)光伏电池和蓄电池双输入供电模式：S4始终处于关断状态，S1和S2同时导通，S2和S3互补工作，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电，通过控制S1和S3实现蓄电池对负载供电。
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。具有成本低、增益高、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为本发明的非隔离型高增益三端口变换器原理图。
图2为光伏电池单独对负载供电模式工作过程。
图3为蓄电池单独对负载供电模式工作过程。
图4为光伏电池对负载供电和对蓄电池充电模式工作过程。
图5为光伏电池和蓄电池双输入供电模式工作过程。
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。
本发明提供了一种非隔离型高增益三端口变换器，包括光伏电池输入端口，蓄电池端口，负载端口，开关管S1-S4，二极管D1-D6，电感L1-L3，电容C1、C2、CBAT；蓄电池端口正极与CBAT的正极、S3的漏极、L3的一端连接，蓄电池端口负极与CBAT的负极、D1的阳极、光伏电池输入端口负极、S1的源极、C2的负极、负载端口负极连接，光伏电池输入端口正极与S2的漏极连接，S1的漏极与L2的一端、D5的阴极、D6的阳极连接，S2的源极与D2的阳极连接，D2的阴极与L1的一端、C1的负极、D3的阴极连接，S3的源极与D3的阳极连接，S4的源极与D1的阴极与L3的另一端连接，S4的漏极与C1的正极、L2的另一端、D4的阴极连接，D4的阳极与L1的另一端、D5的阳极连接，D6的阴极与C2的正极、负载端口正极连接。所述变换器通过对开关管S1-S4的控制，即可实现光伏电池、蓄电池和负载三者之间的能量管理与控制。所述变换器有如下四种工作模式控制方法：
1)光伏电池单独对负载供电模式：S2始终处于导通状态，S3、S4始终处于关断状态，通过控制S1实现光伏电池对负载供电；
2)蓄电池单独供电模式：S3始终处于导通状态，S2和S4始终处于关断状态，通过控制S1实现蓄电池对负载供电；
3)光伏电池对负载供电以及对蓄电池充电模式：S2始终处于导通状态，S3始终处于关断状态，通过控制S1实现光伏电池对负载供电，通过控制S4实现光伏电池对蓄电池充电；
4)光伏电池和蓄电池双输入供电模式：S4始终处于关断状态，S1和S2同时导通，S2和S3互补工作，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电，通过控制S1和S3实现蓄电池对负载供电。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，本发明的一种非隔离型高增益三端口变换器，包括光伏输入端口、蓄电池端口、负载端口、四个开关管、六个二极管、三个电感、三个电容等。
本发明提出的非隔离高增益三端口变换器有四种工作模式，各模式工作原理如下：
1、光伏电池单独对负载供电模式：在该模式中，开关管S2始终处于导通状态，S3、S4始终处于关断状态。各工作模态的等效电路和主要工作波形如图2所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，S1导通，此时D2和D5正向导通，D4和D6反向截止，光伏电池通过S1和D5给电感L1充电，光伏电池和电容C1串联后通过S1给L2充电，电感L1和L2的电流线性上升。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，S1关断，此时D2、D4和D6正向导通，D5反向截止，电感L1通过D4给电容C1充电，光伏电池、电感L1和L2通过D4和D6给C2和负载供电。
电压增益分析
根据伏秒平衡原理，
对于L1，有：VPVD1TS＝VC1(1-D1)TS
对于L2，有：(VPV+VC1)D1TS＝(VO-VC1-VPV)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002846017870000031
Figure BDA0002846017870000032
2、蓄电池单独供电模式：该工作模式下开关管S3始终处于导通状态，S2和S4始终处于关断状态。各工作模态的等效电路和主要工作波形如图3所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，S1导通，此时D3和D5正向导通，D4和D6反向截止，蓄电池VBAT通过S1和D5给电感L1充电，蓄电池VBAT和电容C1串联后通过S1给L2充电，电感L1和L2的电流线性上升。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，S1关断，此时D3、D4和D6正向导通，D5反向截止，电感L1通过D4给电容C1充电，蓄电池VBAT、电感L1和L2通过D4和D6给C2和负载供电。
电压增益分析
根据伏秒平衡原理，
对于L1，有：VBATD1TS＝VC1(1-D1)TS
对于L2，有：(VBAT+VC1)D1TS＝(VO-VC1-VBAT)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002846017870000041
Figure BDA0002846017870000042
3、光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：该工作模式下开关管S2始终处于导通状态，S3始终处于关断状态，S1和S4同时导通。各工作模态的等效电路和主要工作波形如图4所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，S1和S4同时导通，此时D2和D5正向导通，D1、D4和D6反向截止。光伏电池Vpv通过S1和D5给电感L1充电。光伏电池Vpv和电容C1串联后通过S1给L2充电，通过S4给电感L3和蓄电池VBAT充电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，S4关断，D1导通续流，电感L3给蓄电池VBAT充电，电感电流iL3线性下降。此时S1仍然保持导通，D2和D5仍然保持正向导通，D4和D6仍然保持反向截止。光伏电池Vpv通过S1和D5给电感L1充电，光伏电池Vpv和电容C1串联后通过S1给L2充电。
3)模态3[t2-t3]：t2时刻，S1关断，此时D1仍然保持导通续流，电感L3继续放能给蓄电池VBAT充电。D2、D4和D6正向导通，D5反向截止，电感L1通过D4给电容C1充电，光伏电池Vpv、电感L1和L2通过D4和D6给C2和负载供电。
电压增益分析
根据伏秒平衡原理，
对于L1，有：VPVD1TS＝VC1(1-D1)TS
对于L2，有：(VPV+VC1)D1TS＝(VO-VC1-VPV)(1-D1)TS
对于L3，有：(VPV+VC1-VBAT)D4TS＝VBAT(1-D4)TS
可得：
Figure BDA0002846017870000051
Figure BDA0002846017870000052
Figure BDA0002846017870000053
4、光伏电池和蓄电池双输入供电模式：该工作模式下开关管S4始终处于关断状态，S1和S2同时导通，S2和S3互补工作。各工作模态的等效电路和主要工作波形如图5所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，S1和S2同时导通，此时D2和D5正向导通，D3、D4和D6反向截止，光伏电池Vpv通过S1和D5给电感L1充电，光伏电池Vpv和电容C1串联后通过S1给L2充电，输出电容C2向负载R供电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，S3导通，同时S2关断，S1仍然保持导通。此时D3和D5正向导通，D2和D4反向截止，蓄电池VBAT通过S1和D5给电感L1充电，蓄电池VBAT和电容C1串联后通过S1给L2充电，输出电容C2继续向负载R供电。
3)模态3[t2-t3]：t2时刻，S1关断，S3保持导通，此时D3、D4和D6正向导通，D5反向截止，电感L1通过D4给电容C1充电，蓄电池VBAT、电感L1和L2通过D4和D6给C2和负载供电。
电压增益分析
根据伏秒平衡定理，
对于L1，有：VPVD2TS+VBAT(D1-D2)TS＝VC1(1-D1)TS
对于L2，有：(VPV+VC1)D2TS+(D1-D2)(VBAT+VC1)TS＝(VC4-VC1-VBAT)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002846017870000054
Figure BDA0002846017870000055
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 (3)

1.一种非隔离型高增益三端口变换器，其特征在于，包括光伏电池输入端口、蓄电池端口、负载端口、开关管S1-S4、二极管D1-D6、电感L1-L3、电容C1、电容C2、电容CBAT；蓄电池端口正极与电容CBAT的正极、开关管S3的漏极、电感L3的一端连接，蓄电池端口负极与电容CBAT的负极、二极管D1的阳极、光伏电池输入端口负极、开关管S1的源极、电容C2的负极、负载端口负极连接，光伏电池输入端口正极与开关管S2的漏极连接，开关管S1的漏极与电感L2的一端、二极管D5的阴极、二极管D6的阳极连接，开关管S2的源极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与电感L1的一端、电容C1的负极、二极管D3的阴极连接，开关管S3的源极与二极管D3的阳极连接，开关管S4的源极与二极管D1的阴极与电感L3的另一端连接，开关管S4的漏极与电容C1的正极、电感L2的另一端、二极管D4的阴极连接，二极管D4的阳极与电感L1的另一端、二极管D5的阳极连接，二极管D6的阴极与电容C2的正极、负载端口正极连接。
2.根据权利要求1所述的一种非隔离型高增益三端口变换器，其特征在于，所述非隔离型高增益三端口变换器通过对开关管S1-S4的控制，即可实现光伏电池、蓄电池和负载三者之间的能量管理与控制。
3.根据权利要求1所述的一种非隔离型高增益三端口变换器，其特征在于，所述非隔离型高增益三端口变换器有如下四种工作模式控制方法：
1）光伏电池单独对负载供电模式：开关管S2始终处于导通状态，开关管S3、开关管S4始终处于关断状态，通过控制开关管S1实现光伏电池对负载供电；
2）蓄电池单独供电模式：开关管S3始终处于导通状态，开关管S2和开关管S4始终处于关断状态，通过控制S1实现蓄电池对负载供电；
3）光伏电池对负载供电以及对蓄电池充电模式：开关管S2始终处于导通状态，开关管S3始终处于关断状态，通过控制开关管S1实现光伏电池对负载供电，通过控制开关管S4实现光伏电池对蓄电池充电；
4）光伏电池和蓄电池双输入供电模式：开关管S4始终处于关断状态，开关管S1和开关管S2同时导通，开关管S2和开关管S3互补工作，通过控制开关管S1和开关管S2实现光伏电池对负载供电，通过控制开关管S1和开关管S3实现蓄电池对负载供电。
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