CN112865536A

CN112865536A - 一种高电压增益非隔离三端口变换器

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Publication number: CN112865536A
Application number: CN202110134341.8A
Authority: CN
Inventors: 林国庆; 黄毅敏
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2021-02-01
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2021-05-28
Anticipated expiration: 2041-02-01
Also published as: CN112865536B

Abstract

本发明涉及一种高电压增益非隔离三端口变换器。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。本发明具备四种工作模式，通过控制三个开关管的工作状态，在一个变换器中就可以满足光伏发电系统在不同工况下的工作需求，完成三个端口之间的能量管理与控制，实现负载侧电能的持续稳定输出。本发明具备高电压增益、三个端口共地、控制简单、工作方式灵活、系统集成度高等优点，拓宽了应用场合。

Description

一种高电压增益非隔离三端口变换器

技术领域

本发明涉及一种高电压增益非隔离三端口变换器。

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受到广泛的关注和研究。新能源发电单元受外界环境的影响较大，例如光伏发电依赖于光照强度和环境温度，风能发电则受风速、风向等因素影响，因此新能源发电存在电力供应不稳定、不连续等缺点。独立运行的新能源发电系统必须配备一定容量的储能装置以起到能量平衡和支撑作用。

为实现光伏电池、储能电池以及负载之间的能量管理与控制，传统方法是采用多个变换器进行组合，但多个变换器组合会大大增加光伏发电系统的体积重量和控制复杂度，多级功率变换又会增加系统的损耗，降低系统的效率。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，传统光伏发电系统无法满足并网逆变器直流侧380V或400V的高电压等级要求，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高电压。因此，高电压增益三端口变换器具有重要的应用前景和研究价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高电压增益非隔离三端口变换器，具备高电压增益、三个端口共地、控制简单、工作方式灵活、系统集成度高等优点，拓宽了应用场合。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种高电压增益非隔离三端口变换器，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一电感的一端连接，光伏电池输入端口的负极与蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第二开关管的源极、第一开关管的源极、第一电容的一端、第二电容的一端、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，第一开关管的漏极与第二二极管的阴极、第三二极管的阳极、第三电感的一端连接，第二开关管的漏极与第二电感的另一端、第三开关管的源极连接，第三开关管的漏极与第一电容的另一端、第三电感的另一端、第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第二二极管的阳极、第一电感的另一端连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、负载端口的正极连接。

在本发明一实施例中，该高电压增益非隔离三端口变换器具有如下四种工作模式：

1)光伏电池单独对负载供电模式：第二开关管S2、第三开关管S3始终处于关断状态，通过控制第一开关管S1实现光伏电池对负载供电；

2)蓄电池单独对负载供电模式：S3始终保持关断，S1和S2同时导通和关断，通过控制S1和S2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始终保持关断，S1和S3同时导通，通过控制S1和S3实现光伏电池对负载供电以及对蓄电池充电；

4)光伏电池和蓄电池双输入供电模式：S3始终保持关断，S2在S1导通的时刻关断，通过控制S1和S2实现光伏电池和蓄电池共同对负载供电。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明具备高电压增益、三个端口共地、控制简单、工作方式灵活、系统集成度高等优点，拓宽了应用场合。

附图说明

图1为本发明的高电压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。

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。

本发明提供了一种高电压增益非隔离三端口变换器，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一电感的一端连接，光伏电池输入端口的负极与蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第二开关管的源极、第一开关管的源极、第一电容的一端、第二电容的一端、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，第一开关管的漏极与第二二极管的阴极、第三二极管的阳极、第三电感的一端连接，第二开关管的漏极与第二电感的另一端、第三开关管的源极连接，第三开关管的漏极与第一电容的另一端、第三电感的另一端、第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第二二极管的阳极、第一电感的另一端连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、负载端口的正极连接。该高电压增益非隔离三端口变换器具有如下四种工作模式：

以下为本发明的具体实现过程。

如图1所示，本发明一种高电压增益非隔离三端口变换器电路结构，包括光伏输入端口、蓄电池端口、负载端口、三个开关管、三个二极管、三个电感、三个电容等。该高电压增益非隔离三端口变换器包括四种工作模式，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、S3始终处于关断状态。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导通，二极管D2正向导通，二极管D1和D3反向截止。光伏源Vpv通过D2和S1向电感L1充电，电容C1通过S1向电感L3充电，电感L1和L3的电流线性上升。在此阶段，电容C2向负载供电。

2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S1关断，二极管D1和D3正向导通，二极管D2反向截止。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、D3给C2和负载供电，电感L1和L3的电流线性下降。

电压增益分析

根据伏秒平衡定理

对于电感L1，有：

V_PVD₁T_S＝(V_C1-V_PV)(1-D₁)T_S

对于电感L3，有：

V_C1D₁T_S＝(V_O-V_C1)(1-D₁)T_S

可得：

式中，D₁为开关管S1的工作占空比，V_PV为光伏电池电压。

2、蓄电池单独供电模式：在该模式中，开关管S3始终保持关断，开关管S1和S2同时通断。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和S2同时导通，二极管D1、D2和D3反向截止。蓄电池VBAT通过S2向电感L2充电，电容C1通过S1向电感L3充电，电感L2和L3的电流线性上升。在此阶段，电容C2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D3正向导通，D1和D2仍然保持反向截止。蓄电池VBAT和电感L2通过S3的体二极管给电容C1充电，蓄电池VBAT、电感L2、L3通过S3的体二极管和D3向电容C2和负载充电。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，S1和S2的占空比相等，设为D₂。

根据伏秒平衡原理，

对于电感L2，有：

V_BATD₂T_S＝(V_C1-V_BAT)(1-D₂)T_S

对于电感L3，有：

V_C1D₂T_S＝(V_O-V_C1)(1-D₂)T_S

可得：

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S2始终保持关断，开关管S1和S3同时导通，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和S3同时导通，二极管D2正向导通，二极管D1和D3反向截止。光伏源Vpv通过D2和S1向电感L1充电，电容C1通过S1向电感L3充电，电容C1通过S3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C2向负载供电。

2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S3关断，S2的体二极管导通续流，S1仍然保持导通。二极管D2仍然保持正向导通，D1、D3仍然保持反向截止。电感L2通过S2的体二极管向蓄电池充电，光伏源Vpv仍然通过D2和S1向电感L1充电，电容C1仍然通过S1向电感L3充电。电感L1、L3的电流线性上升，L2的电流线性下降。在此阶段，电容C2向负载供电。

3)模态3[t2-t3]：t2时刻，开关管S1关断，二极管D1和D3正向导通，D2反向截止。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、D3给C2和负载供电。电感L2仍然通过S2的体二极管向蓄电池充电。电感L1、L2、L3的电流线性下降。

电压增益分析

根据伏秒平衡定理，

对于电感L1，有：

V_PVD₁T_S＝(V_C1-V_PV)(1-D₁)T_S

对于电感L2，有：

(V_C1-V_BAT)D₃T_S＝V_BAT(1-D₃)T_S

对于电感L3，有：

V_C1D₁T_S＝(V_O-V_C1)(1-D₁)T_S

可得：

式中，D₁为开关管S1的工作占空比，D₃为开关管S3的工作占空比。

4、光伏电池和蓄电池双输入供电模式：在该模式中，开关管S3始终保持关断，开关管S2在S1导通的时刻关断。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导通，S2关断，二极管D2正向导通，二极管D1和D3反向截止。光伏源Vpv通过D2和S1向电感L1充电，电容C1通过S1向电感L3充电。蓄电池VBAT和电感L2通过S3的体二极管向电容C1充电，蓄电池VBAT、电感L2通过S3的体二极管和S1向电感L3充电。电感L1、L3的电流线性上升，电感L2的电流线性下降。在此阶段，电容C2向负载供电。

2)模态2[t1-t2]：t1时刻，开关管S2导通，S1仍然保持导通，二极管D2仍然保持正向导通，二极管D1和D3仍然保持反向截止。光伏源Vpv仍然通过D2和S1向电感L1充电，电容C1仍然通过S1向电感L3充电。蓄电池VBAT通过S2向电感L2充电。电感L1、L2、L3的电流线性上升。在此阶段，电容C2向负载供电。

3)模态3[t2-t3]：t2时刻，开关管S1关断，S2仍然保持导通，二极管D1和D3正向导通，二级管D2反向截止。光伏Vpv和电感L1通过D1向电容C1充电，光伏Vpv、电感L1、L3通过D1、D3向C2和负载供电。蓄电池VBAT仍然通过S2向电感L2充电。电感L1、L3的电流线性下降，电感L2的电流线性上升。

电压增益分析

根据伏秒平衡定理，

对于电感L1，有：

V_PVD₁T_S＝(V_C1-V_PV)(1-D₁)T_S

对于电感L2，有：

V_BATD₂T_S＝(V_C1-V_BAT)(1-D₂)T_S

对于电感L3，有：

V_C1D₁T_S＝(V_O-V_C1)(1-D₁)T_S

可得：

式中，D₁为开关管S1的工作占空比，D₂为开关管S2的工作占空比。

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

1.一种高电压增益非隔离三端口变换器，其特征在于，包括光伏电池输入端口、蓄电池端口、负载端口、第一开关管、第二开关管、第三开关管、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一电感的一端连接，光伏电池输入端口的负极与蓄电池端口的负极、第三电容的一端、第二开关管的源极、第一开关管的源极、第一电容的一端、第二电容的一端、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，第一开关管的漏极与第二二极管的阴极、第三二极管的阳极、第三电感的一端连接，第二开关管的漏极与第二电感的另一端、第三开关管的源极连接，第三开关管的漏极与第一电容的另一端、第三电感的另一端、第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与第二二极管的阳极、第一电感的另一端连接，第三二极管的阴极与第二电容的另一端、负载端口的正极连接。

2.根据权利要求1所述的一种高电压增益非隔离三端口变换器，其特征在于，该高电压增益非隔离三端口变换器具有如下四种工作模式：

1）光伏电池单独对负载供电模式：第二开关管S2、第三开关管S3始终处于关断状态，通过控制第一开关管S1实现光伏电池对负载供电；

2）蓄电池单独对负载供电模式：S3始终保持关断，S1和S2同时导通和关断，通过控制S1和S2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始终保持关断，S1和S3同时导通，通过控制S1和S3实现光伏电池对负载供电以及对蓄电池充电；

4）光伏电池和蓄电池双输入供电模式：S3始终保持关断，S2在S1导通的时刻关断，通过控制S1和S2实现光伏电池和蓄电池共同对负载供电。