CN112803768B - 一种三端口高增益直流变换器 - Google Patents

一种三端口高增益直流变换器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种三端口高增益直流变换器。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。本发明直流变换器具有五种工作模式，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

一种三端口高增益直流变换器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种三端口高增益直流变换器。
背景技术
随着全球性环境问题日益突出以及传统能源资源日益短缺，太阳能、风能及燃料电池等新能源发电形式越来越受到重视。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，独立运行的新能源发电系统必须配备蓄电池等储能环节来储存和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和平稳性的要求。
传统的新能源独立发电系统由多个单向或双向DC/DC变换器构成，其变换器体积重量大，集成度低，结构复杂且成本较高。三端口变换器是随着新能源发电技术的发展而提出的一类新型变换器，通过一个变换器可以同时实现输入源、蓄电池和负载三个端口的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低体积成本等优点。
由于光伏电池、蓄电池等输出直流电压较低，无法满足并网逆变器直流侧的电压等级要求，所以需要具备高电压增益的三端口变换器将新能源侧低电压提升至并网输入的380V或400V直流高电压。因此，多端口高增益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三端口高增益直流变换器，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：一种三端口高增益直流变换器，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、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容、第三电容；光伏电池输入端口的正极与第三二极管阳极连接，光伏电池输入端口的负极、蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第一开关管的源极、第三开关管的源极、第一电容的一端、负载端口的负极连接，蓄电池端口的正极与第三电容的另一端、第二电感的一端连接，负载端口的正极与第二电容的一端、第二二极管的阴极连接，第一开关管的漏极与第二开关管的源极、第一二极管的阳极、第一电感的一端连接，第二开关管的漏极与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第三开关管的漏极与第二电感的另一端、第四开关管的源极连接，第四开关管的漏极与第一二极管的阴极、第三电感的另一端、第一电容的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阴极与第一电感的另一端连接。
在本发明一实施例中，所述变换器通过对四个开关管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，所述直流变换器具有五种工作模式，在一个变换器中即可完成多个单输入单输出变换器的功能；具体如下：
1)光伏电池单独对负载供电模式：第三开关管S3、第四开关管S4始终处于关断状态，第一开关管S1、第二开关管S2同时通断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电；
2)蓄电池单独供电模式：S4始终保持关断，S1、S2、S3同时导通和关断，通过控制S1、S2和S3实现蓄电池对负载供电；
3)光伏电池对负载供电和对蓄电池充电模式：S3始终保持关断，S1、S2同时通断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电；S3始终保持关断，S1、S2同时通断，S1和S4导通，通过控制S1和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始终保持关断，S1、S2同时通断，S3在S1、S2导通的时刻关断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电，通过控制S1、S2和S3实现蓄电池对负载供电；
5)光伏电池对蓄电池充电模式：S2和S3始终保持关断，S1、S4同时通断，通过控制S1和S4实现光伏电池对蓄电池充电。
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五种工作模式，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为本发明的高增益非隔离型三端口变换器原理图。
图2为本发明光伏电池单独对负载供电模式工作过程。
图3为本发明蓄电池单独对负载供电模式工作过程。
图4为本发明光伏电池对负载供电和对蓄电池充电模式工作过程。
图5为本发明光伏电池和蓄电池双输入供电模式工作过程。
图6为本发明光伏电池对蓄电池充电模式工作过程。
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。
本发明一种三端口高增益直流变换器，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、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容、第三电容；光伏电池输入端口的正极与第三二极管阳极连接，光伏电池输入端口的负极、蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第一开关管的源极、第三开关管的源极、第一电容的一端、负载端口的负极连接，蓄电池端口的正极与第三电容的另一端、第二电感的一端连接，负载端口的正极与第二电容的一端、第二二极管的阴极连接，第一开关管的漏极与第二开关管的源极、第一二极管的阳极、第一电感的一端连接，第二开关管的漏极与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第三开关管的漏极与第二电感的另一端、第四开关管的源极连接，第四开关管的漏极与第一二极管的阴极、第三电感的另一端、第一电容的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阴极与第一电感的另一端连接。
以下为本发明的具体实现过程。
如图1所示，本发明一种三端口高增益直流变换器，电路结构包括光伏输入端口、蓄电池端口、负载端口、四个开关管、三个二极管、三个电感、三个电容等。本发明提出的高增益非隔离三端口变换器有五种工作模式，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S3、S4始终处于关断状态，通过控制开关管S1和S2实现光伏电池对负载供电。各工作模态的等效电路和开关管控制信号如图2所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，开关管S1和S2同时导通，二极管D3正向导通，二极管D1和D2反向截止。光伏源VPV通过D3和S1向电感L1充电，电容C1通过S1和S2向电感L3充电，电感L1和L3的电流线性上升。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S1和S2同时关断，二极管D1和D2正向导通，D3仍然保持正向导通。光伏源VPV和电感L1通过D1给电容C1充电，光伏源VPV、电感L1、L3通过D1、D2给C1、C2和负载供电，电感L1和L3的电流线性下降。
电压增益分析
在此工作模式中，开关管S1、S2同时导通和关断，S1和S2的占空比相等，均设为D1。
根据伏秒平衡定理
对于电感L1，有：
VPVD1TS＝(VC1-VPV)(1-D1)TS
对于电感L3，有：
VC1D1TS＝VC2(1-D1)TS＝(VO-VC1)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002902929120000041
Figure BDA0002902929120000042
Figure BDA0002902929120000043
2、蓄电池单独供电模式：在该模式中，开关管S4始终保持关断，仅使用S4的体二极管，通过控制开关管S1、S2和S3实现蓄电池对负载供电。各工作模态的等效电路和开关管控制信号如图3所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，开关管S1、S2和S3同时导通，二极管D1、D2和D3反向截止。蓄电池VBAT通过S3向电感L2充电，电容C1通过S1和S2向电感L3充电，电感L2和L3的电流线性上升。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S1、S2和S3同时关断，二极管D2正向导通，D1和D3仍然保持反向截止。蓄电池VBAT和电感L2通过S4的体二极管给电容C1充电，蓄电池VBAT、电感L2、L3通过S4的体二极管、D2给C1、C2和负载供电，电感L2和L3的电流线性下降。
电压增益分析
在此工作模式中，开关管S1、S2、S3同时导通和关断，S1、S2、S3的占空比均设为D3。
根据伏秒平衡原理，
对于电感L2，有：
VBATD3TS＝(VC1-VBAT)(1-D3)TS
对于电感L3，有：
VC1D3TS＝VC2(1-D3)TS＝(VO-VC1)(1-D3)TS
可得：
Figure BDA0002902929120000044
Figure BDA0002902929120000045
Figure BDA0002902929120000046
3、光伏电池对负载供电和对蓄电池充电工作模式：在该模式中，开关管S3始终保持关断，仅使用S3的体二极管，通过控制开关管S1、S2和S4实现光伏电池对负载供电和对蓄电池充电，各工作模态的等效电路和开关管控制信号如图4所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，开关管S1、S2、S4同时导通，二极管D3正向导通，二极管D1和D2反向截止。光伏源VPV通过D3和S1向电感L1充电，电容C1通过S1和S2向电感L3充电，电容C1通过S4向电感L2和蓄电池充电，电感L1、L2、L3的电流线性上升。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S4关断，S3的体二极管导通续流，S1和S2仍然保持导通，D1、D2仍然保持反向截止。电感L2通过S3的体二极管向蓄电池VBAT充电，光伏源VPV仍然通过D3和S1向电感L1充电，电容C1仍然通过S1和S2向电感L3充电，电感L1和L3的电流线性上升，电感L2的电流线性下降。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
3)模态3[t2-t3]：t2时刻，开关管S1、S2关断，二极管D1和D2正向导通，D3仍然保持正向导通。光伏源VPV和电感L1通过D1给电容C1充电，光伏源VPV、电感L1、L3通过D1、D2给C1、C2和负载供电。电感L2仍然通过S3的体二极管向蓄电池VBAT充电。电感L1、L2、L3的电流线性下降。
电压增益分析
在此工作模式中，开关管S1、S2同时导通和关断，S1和S2的占空比相等，设为D1。开关管S4的占空比为D4。
根据伏秒平衡定理，
对于电感L1，有：
VPVD1TS＝(VC1-VPV)(1-D1)TS
对于电感L2，有：
(VC1-VBAT)D4TS＝VBAT(1-D4)TS
对于电感L3，有：
VC1D1TS＝VC2(1-D1)TS＝(VO-VC1)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002902929120000051
Figure BDA0002902929120000061
Figure BDA0002902929120000062
Figure BDA0002902929120000063
4、光伏电池和蓄电池双输入供电模式：在该模式中，开关管S4始终保持关断，仅使用S4的体二极管，通过控制开关管S1、S2和S3实现光伏电池和蓄电池共同对负载供电。各工作模态的等效电路和开关管控制信号如图5所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，开关管S1、S2同时导通，开关管S3关断，二极管D3正向导通，二极管D1和D2反向截止。光伏源VPV通过D3和S1向电感L1充电，电容C1通过S1和S2向电感L3充电。蓄电池VBAT和L2通过S4的体二极管向C1充电，同时也通过S4的体二极管、S2、S1向电感L3充电。电感L1和L3的电流线性上升，电感L2的电流线性下降。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S3导通，S1和S2仍然保持导通，D1、D2仍然保持反向截止。蓄电池VBAT通过S3向电感L2充电，光伏源VPV仍然通过D3和S1向电感L1充电，电容C1仍然通过S1和S2向电感L3充电，电感L1、L2、L3的电流线性上升。在此阶段，电容C1和C2串联向负载供电。
3)模态3[t2-t3]：t2时刻，开关管S1、S2同时关断，S3仍然保持导通，二极管D1和D2正向导通，D3仍然保持正向导通。光伏源VPV和电感L1通过D1给电容C1充电，光伏源VPV、电感L1、L3通过D1、D2给C1、C2和负载供电。蓄电池VBAT仍然通过S3向电感L2充电。电感L2的电流线性上升，电感L1、L3的电流线性下降。
电压增益分析
在此工作模式中，开关管S1、S2同时导通和关断，S1和S2的占空比相等，设为D1。开关管S3的占空比设为D3。
根据伏秒平衡定理，
对于电感L1，有：
VPVD1TS＝(VC1-VPV)(1-D1)TS
对于电感L2，有：
VBATD3TS＝(VC1-VBAT)(1-D3)TS
对于电感L3，有：
VC1D1TS＝VC2(1-D1)TS＝(VO-VC1)(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002902929120000071
Figure BDA0002902929120000072
Figure BDA0002902929120000073
5、光伏电池对蓄电池充电模式：在该模式中，开关管S2和S3始终保持关断，仅使用S3的体二极管，通过控制开关管S1和S4实现光伏电池对蓄电池供电。各工作模态的等效电路和开关管控制信号如图6所示。
1)模态1[t0-t1]：t0时刻，开关管S1、S4同时导通，二极管D3正向导通，二极管D1和D2反向截止。光伏源VPV通过D3和S1向电感L1充电，电容C1通过S4向蓄电池VBAT和电感L2充电，电感L1、L2的电流线性上升。
2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S1和S4同时关断，S3的体二极管导通续流，二极管D1正向导通，D3仍然保持正向导通。光伏源VPV和电感L1通过D1给电容C1充电，电感L2通过S3的体二极管对蓄电池VBAT充电，电感L1、L2的电流线性下降。
电压增益分析
在光伏电池对蓄电池充电模式，开关管S1、S4同时导通和关断，S1和S4的占空比相等，设为D1。
根据伏秒平衡定理，
对于电感L1，有：
VPVD1TS＝(VC1-VPV)(1-D1)TS
对于电感L2，有：
(VC1-VBAT)D1TS＝VBAT(1-D1)TS
可得：
Figure BDA0002902929120000081
Figure BDA0002902929120000082
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)

1.一种三端口高增益直流变换器，其特征在于，包括光伏电池输入端口、蓄电池端口、负载端口、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、第一电感、第二电感、第三电感、第一电容、第二电容、第三电容；光伏电池输入端口的正极与第三二极管阳极连接，光伏电池输入端口的负极、蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第一开关管的源极、第三开关管的源极、第一电容的一端、负载端口的负极连接，蓄电池端口的正极与第三电容的另一端、第二电感的一端连接，负载端口的正极与第二电容的一端、第二二极管的阴极连接，第一开关管的漏极与第二开关管的源极、第一二极管的阳极、第一电感的一端连接，第二开关管的漏极与第三电感的一端、第二二极管的阳极连接，第三开关管的漏极与第二电感的另一端、第四开关管的源极连接，第四开关管的漏极与第一二极管的阴极、第三电感的另一端、第一电容的另一端、第二电容的另一端连接，第三二极管的阴极与第一电感的另一端连接；
所述直流变换器具有五种工作模式，在一个变换器中即可完成多个单输入单输出变换器的功能；具体如下：
1）光伏电池单独对负载供电模式：第三开关管S3、第四开关管S4始终处于关断状态，第一开关管S1、第二开关管S2同时通断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电；
2）蓄电池单独供电模式：S4始终保持关断，S1、S2、S3同时导通和关断，通过控制S1、S2和S3实现蓄电池对负载供电；
3）光伏电池对负载供电和对蓄电池充电模式：S3始终保持关断，S1、S2同时通断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电；S3始终保持关断，S1、S2同时通断，S1和S4导通，通过控制S1和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始终保持关断，S1、S2同时通断，S3在S1、S2导通的时刻关断，通过控制S1和S2实现光伏电池对负载供电，通过控制S1、S2和S3实现蓄电池对负载供电；
5）光伏电池对蓄电池充电模式：S2和S3始终保持关断，S1、S4同时通断，通过控制S1和S4实现光伏电池对蓄电池充电。
2.根据权利要求1所述的一种三端口高增益直流变换器，其特征在于，所述变换器通过对四个开关管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。
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