CN113595392A - 一种具有较高升压能力的三端口变换器及其控制方法 - Google Patents

一种具有较高升压能力的三端口变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于变换器控制技术领域，公开了一种具有较高升压能力的三端口变换器，该变换器包括两个开关管、三个电容、两个二极管和两个电感。其具有较高的升压能力，可以实现三个端口间功率流的灵活控制，且能够实现所有开关管的零电压开通，以及二极管D1的自然关断，所有功率管均承受较低的电压应力，有效提高了离网型光伏发电系统的集成度及变换效率。本发明还公开了该变换器的控制方法，控制第一电感工作在电流双向连续导通模式，采用变占空比实现光伏组件最大功率点跟踪控制；控制第二电感工作在电流断续模式，采用变频控制实现负载恒压控制。

Description

一种具有较高升压能力的三端口变换器及其控制方法
技术领域
本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种具有较高升压能力的三端口变换器及其控制方法。
背景技术
随着能源危机与环境污染的日益加剧，光伏发电技术受到各国政府和企业的广泛关注。由于太阳能具有波动性和随机性，离网型光伏发电系统需要配备蓄电池来储存和调节电能，保证向负载(如直流变换器、逆变器、直流微网等)连续稳定供电，且实现光伏电池的最大功率点跟踪(Maximum Pawer Point Tracking,MPPT)控制和蓄电池的充放电控制。由于离网型光伏发电系统具有光伏、蓄电池和负载三个端口。故常采用三端口变换器作为主电路拓扑，以减少器件数量，降低成本。光伏电池输出电压较低，且波动范围较大，三端口变换器需具备较高的电压增益才能满足负载侧电压要求。现有技术中具有高增益能力的三端口变换器普遍存在器件数量多、功率管电压应力高、体积和重量大等缺点。如果基于现有技术，通过增加开关频率来提高功率密度，开关损耗将是瓶颈。采用软开关技术，可以减小或消除开关损耗，从而解除开关频率的制约，而且可以解决宽禁带型器件应用的开关震荡和开关应力难题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种具有较高升压能力的三端口变换器及其控制方法，其具有较高的升压能力，可以实现三个端口间功率流的灵活控制，且所有功率管管均承受较低的电压应力，能够实现所有开关管的零电压开通(Zero Voltage Switching,ZVS)，以及二极管D1的自然关断，有效提高了离网型光伏发电系统的集成度及变换效率。
本发明提供了一种具有较高升压能力的三端口变换器，所述三端口变换器的三个端口分别与光伏电池、蓄电池和负载连接，其特征在于，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第一电感和第二电感；所述蓄电池的正极与所述第一电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的源极、所述第一电容的第二端连接；所述第二开关管的漏极与所述光伏电池的正极、所述第二电容的第一端、所述第二电感的第一端连接；所述第二电感的第二端与所述第一二极管的阳极连接；所述第一电容的第一端与所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第一端、所述负载的正极连接；所述负载的负极与所述蓄电池的负极、所述第一开关管的源极、所述第二电容的第二端、所述光伏电池的负极、所述第三电容的第二端连接。
优选的，本发明提供的三端口变换器还包括控制电路，所述控制电路包括第一控制支路、第二控制支路、调制单元，且所述第一控制支路与所述第二控制支路连接到所述调制单元；所述第一控制支路用于获取所述光伏电池的输出电压以及所述光伏电池的输出电流，产生第一控制信号，以实现所述光伏电池的最大功率点跟踪控制；所述第二控制支路用于获取所述负载的端电压，产生第二控制信号，以实现所述负载两端的恒压控制。
优选的，所述第一控制支路包括MPPT控制单元、第一加法器、第一控制器，所述第二控制支路包括第二加法器、第二控制器，所述调制单元包括压频转换器和比较器。
本发明还提供了一种具有较高升压能力的三端口变换器的控制方法，所述方法具体为：
控制所述第一电感和所述第二电感分别工作在电流双向连续流通模式和电流断续模式；获取所述光伏电池的输出电压以及所述光伏电池的输出电流，产生第一控制信号；获取所述负载的端电压，产生第二控制信号；根据所述第一控制信号和所述第二控制信号产生所述第一开关管的驱动信号，所述第一控制信号用于控制所述第一开关管驱动信号的频率，所述第二控制信号用于控制所述第一开关管的驱动信号的占空比；所述第一开关管的驱动信号取反得到所述第二开关管的驱动信号。
与现有技术相比，本发明提出的三端口变换器中前(第一电感)、后(第二电感)级电感分别工作在电流双向连续流通模式和电流断续模式，进而通过改变开关频率实现光伏电池的MPPT控制，同时改变占空比实现负载的恒压控制；所提三端口变换器的所有端口均共地，可以实现蓄电池端电流连续且双向流动，还具有开关管数量少(2个)、功率管电压应力低、升压能力强、可实现所有开关管ZVS开通、第一二极管D1自然关断等优点。
附图说明
图1为本申请实施例的三端口变换器的电路结构示意图。
图2为本申请实施例的三端口变换器的系统控制策略框图。
图3(a)～(e)为本申请实施例的三端口变换器一个开关周期内不同模态的等效电路图。
图4为本申请实施例的三端口变换器一个开关周期内关键波形图。
图5为本申请实施例的三端口变换器一个开关周期内各功率管电压、电流和电感电流的仿真波形图。
图6(a)为本申请实施例的三端口变换器由于光伏电池输出功率增加，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形。
图6(b)为本申请实施例的三端口变换器由于负载功率减小，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形。
图7(a)为本申请实施例的三端口变换器由于光伏电池输出功率减小，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形。
图7(b)为本申请实施例的三端口变换器由于负载功率增加，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本申请实施例中一种具有较高升压能力的三端口变换器，该变换器的三个端口分别与光伏电池、蓄电池和负载连接，其特征在于，变换器包括：
第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1和第二电感L2；蓄电池的正极与第一电感L1的第一端连接；第一电感L1的第二端与第一开关管S1的漏极、第二开关管S2的源极、第一电容C1的第二端连接；第二开关管S2的漏极与光伏电池的正极、第二电容C2的第一端、第二电感L2的第一端连接；第二电感L2的第二端与第一二极管D1的阳极连接；第一电容C1的第一端与第一二极管D1的阴极、第二二极管D2的阳极连接；第二二极管D2的阴极与第三电容C3的第一端、负载的正极连接；负载的负极与蓄电池的负极、第一开关管S1的源极、第二电容C2的第二端、光伏电池的负极、第三电容C3的第二端连接。
根据一示例性而非限定性实施例，在此实施例中，控制电路控制开关管的通断，控制电路包括第一控制支路、第二控制支路、调制单元，且第一控制支路与第二控制支路连接到调制单元；第一控制支路用于获取光伏电池的输出电压以及光伏电池的输出电流，产生第一控制信号，以实现光伏电池的最大功率点跟踪控制；第二控制支路用于获取负载的端电压，产生第二控制信号，以实现负载两端的恒压控制。
根据一示例性而非限定性实施例，调制单元包括压频转换器和比较器，第一控制支路依次包括MPPT控制单元、第一加法器和第一控制器；该MPPT控制单元的电压输入端通过电压传感器与光伏电池的两端连接，电流输入端通过电流传感器与光伏电池的输出端连接；该第一加法器的正输入端与MPPT控制单元的输出端连接，其负输入端还通过电压传感器与光伏电池的两端连接；该第一控制器的输入端与第一加法器的输出端连接，输出端与压频转换器的输入端连接。第二控制支路包括第二加法器和第二控制器；该第二加法器的负输入端通过电压传感器与负载的两端连接，正输入端为预设负载电压参考值；该第二控制器的输入端与第二加法器的输出端连接，输出端与比较器的正输入端连接。
在此实施例中，图2给出了系统控制策略框图，第一控制支路光伏电池的输出电压upv和输出电流ipv并送至MPPT控制单元进行MPPT运算，MPPT控制单元输出光伏电池的电压参考值upv,ref，第一加法器计算得到光伏电池电压采样值upv和电压参考值upv,ref的第一误差信号ue1，通过第一控制器得到第一控制信号uc1。第二控制支路从负载的输出端采样负载的端电压uo，第二加法器根据预设的负载电压参考值uo,ref和负载电压采样值uo进行计算，得到第二误差信号ue2，再通过第二控制器得到第二控制信号uc2。
第一控制信号uc1输入压频转换模块，得到对应频率的三角载波信号uc，第二控制信号uc2和三角载波信号uc分别与比较器的正输入端和负输入端连接，比较器进行比较后产生第一开关管S1的驱动信号ugs,S1；该信号取反，得到第二开关管S2的驱动信号ugs,S2；调节第一控制信号uc1的大小可以改变三角载波信号uc频率的大小，进而改变开关频率fs，从而实现光伏电池PV的MPPT控制；调节第二控制信号uc2的大小，可改变开关管S1的驱动信号ugs,S1的占空比d，实现负载恒压控制。
本申请实施例中的三端口变换器有两种主要工作模式。
工作模式1(光伏、蓄电池联合供电模式)：光伏电池发出功率无法满足负载所需功率时，系统中光伏电池与蓄电池同时发出功率为负载进行供电。
工作模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电模式)：当光伏电池发出功率大于负载所需功率时，系统中光伏电池发出功率分别传递至蓄电池和负载，为其供电。
接下来分析这两种工作模式下变换器的基本工作原理。此时，系统工作已经达到稳态，并符合以下条件：①储能元件和二极管均为理想器件；②除体二极管外，忽略第一开关管S1和第二开关管S2的其他寄生参数；③第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3的电容量足够大，故端电压纹波很小，可忽略不计；④第一开关管S1和第二开关管S2的驱动信号死区时间相等，为Td。
蓄电池端电压电压值为UB，光伏电压电压值大小为Upv，负载电压端电压电压值大小为Uo，第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3端电压电压值大小分别为UC1、UC2和UC3。
本申请实施例中的在一个开关周期中的工作可分成5个模态，每个工作模态对应的等效电路如3(a)～图3(e)所示，关键波形如图4所示
分述如下：
t0时刻前，第一开关管S1的体二极管和第一二极管D1导通，第一开关管S1、第二开关管S2和第二二极管D2均关断。
模态1[t0,t1]：如图3(a)所示，t0时刻，模态1开始，ZVS开通第一开关管S1。此时，第一电感L1和第二电感L2分别承受正向电压，电压值大小分别为UB和Upv-UC1，第一电感L1的电流iL1反向线性减小至0后正向线性增大，第二电感L2的电流iL2正向线性增大，其表达式分别为：
Figure BDA0003221508750000031
Figure BDA0003221508750000032
t1时刻，关断第一开关管S1，模态1结束。该模态的持续时间为：
Δt1＝t1-t0＝dTs (3)
式中，d为第一开关管S1的驱动信号占空比，Ts为开关周期。
模态2[t1,t2]：如图3(b)所示，t1时刻，模态2开始，第一电感L1的电流iL1和第二电感L2的电流iL2的总电流流入结点a，第二开关管S2的体二极管、第二二极管D2正向导通。此时，第一电感L1和第二电感L2分别承受反向电压，电压值大小分别为Upv-UB和Uo-Upv，第一电感L1的电流iL1和第二电感L2的电流iL2均线正向性减小，其表达式为：
Figure BDA0003221508750000033
Figure BDA0003221508750000034
t2时刻，ZVS开通第二开关管S2，第二开关管S2的体二极管自然关断，模态2结束。
模态3[t2,t3]：如图3(c)所示，t2时刻，模态3开始，第一电感L1的电流iL1保持原有斜率正向线性减小至0后反向线性增大，第二电感L2的电流iL2保持原有斜率正向线性减小。t3时刻，第二电感L2的电流iL2减小至0，第一二极管D1自然关断，模态3结束。模态2和模态3所持续时间为：
Δt3＝t3-t1＝d1Ts (6)
式中，d1为模态2和模态3持续时间与开关周期Ts的比值。
模态4[t3,t4]：如图3(d)所示，t3时刻，模态4开始，第一电感L1的电流iL1保持原斜率继续反向线性增大。t4时刻，关断第二开关管S2，模态4结束。
模态5[t4,t5]：如图3(e)所示，t4时刻，模态5开始，第一电感L1的电流iL1和第二电感L2的电流iL2的总电流流出结点a，第一开关管S1的体二极管、第一二极管D1导通，第二二极管D2硬关断。此时，第一电感L1和第二电感L2分别承受正向电压UB和Upv-UC1，第一电感L1的电流iL1反向线性减小，第二电感L2的电流iL2由0正向线性增大。t5时刻，ZVS开通第一开关管S1，模态5结束，进入下一个开关周期，重复上述过程。
忽略死区时间，根据第一电感L1、第二电感L2的伏秒平衡，可得：
Figure BDA0003221508750000041
此外，根据图3(c)可得：
Upv+UC1＝Uo (8)
从而，得到三个端口间的电压关系：
Figure BDA0003221508750000042
根据功率守恒，可得三个端口间的电流关系：
Figure BDA0003221508750000043
式中，Ipv为光伏电池输出电流平均值，IB为蓄电池电流平均值(放电时为正，充电时为负)。
本申请实施例中的三端口变换器中，第一开关管S1、第二开关管S2和第一二极管D1、第二二极管D2的电压应力为：
Figure BDA0003221508750000044
各电容的电压应力为：
Figure BDA0003221508750000051
第二电感L2工作在电感电流断续模式，其电流峰值为：
Figure BDA0003221508750000052
第二电感L2的平均电流为：
Figure BDA0003221508750000053
式中，Io为负载电流平均值。
当第二电感L2的电流临界连续时，有d1＝1-d，故第二电感L2的临界连续平均电流为：
Figure BDA0003221508750000054
流过第一二极管D1、第二二极管D2的平均电流分别为：
ID1＝ID2＝Io (16)
L2在全负载范围内运行于DCM，即始终满足：
IL2＜IL2,c (17)
由式(9)、式(14)、式(15)和式(17)，可得：
Uo＞2Upv-UB (18)
由式(9)可以看出，通过改变占空比d，可以调节负载端电压Uo。由式(9)和(14)，可得：
Figure BDA0003221508750000055
可以看出，当第二电感的电感量L2、负载电流Io、负载端电压Uo和第一开关管S1的占空比d不变时，开关频率fs随着光伏电池的端电压Upv的增大而增大。换而言之，光伏电池的端电压Upv和开关频率fs呈单调递增关系。因此，可以通过改变第一开关管S1的占空比d，实现负载端电压Uo的调节，同时通过改变开关频率fs，实现光伏电池PV端电压Upv的调节。
为了实现第一开关管S1和第二开关管S2的软开关，要求当第一电感L1的电流iL1正向最大时，其谷值IL1max-ΔiL1/2小于0，即：
Figure BDA0003221508750000056
式中，IL1,max为第一电感L1的最大平均电流，ΔiL1为第一电感L1的电流峰峰值。
即要求：
Figure BDA0003221508750000061
为了验证理论分析的正确性，本发明利用Saber仿真软件搭建了一台三端口变换器仿真模型，其设计指标如表1所示。第一电感L1＝45μH，第二电感L2＝100μH。
表1三端口变换器各端口参数
Figure BDA0003221508750000062
仿真实验波形图如图5所示，可以看出，第一电感L1和第二电感L2分别工作在电流双向连续流通模式和电流断续模式；第一开关管S1和第二开关管的驱动信号ugs,S1和ugs,S2正压到来前，第一开关管S1和第二开关管S2的端电压uds,S1和uds,S2已经降低至零，这表明二者均实现了零电压开通；第一二极管D1承受反压前，其电流iD1已降为零，因此第一二极管D1为自然关断。此外，可以看出，第一开关管S1、第二开关管S2、第二二极管D2的电压应力为160V，第一二极管D1的电压应力为140V，均承受较低的电压应力，约为负载电压Uo的一半。
此外，还对系统模式切换进行了仿真验证：
模式1(光伏、蓄电池联合供电)向模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电)切换有两种情况，仿真结果如图6所示：
(1)负载功率Po＝200W不变，光伏电池输出功率Ppv由80W突变为320W
如图6(a)所示，在1.5s时刻前，光伏电池输出功率Ppv为80W(0.5A×160V)，负载所需功率Po为200W(0.67A×300V)，光伏电池输出功率Ppv小于负载功率Po；系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。1.5s时，光伏电池输出功率Ppv发生突变，由80W突变为320W(2A×160V)，1.9s时系统达到稳态。此时，负载所需功率Po仍为200W，光伏电池输出功率Ppv大于负载功率Po，说明系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。
(2)光伏电池输出功率Ppv＝160W不变，负载功率Po由300W突变至100W
如图6(b)所示，在1.5s时刻前，光伏电池输出功率Ppv为160W(1A×160V)，负载所需功率Po为300W(1A×300V)，光伏电池输出功率Ppv小于负载功率Po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。1.5s时，负载所需功率Po发生突变，由300W突变为100W(0.33A×300V)，2.1s时，系统达到稳态。此时，光伏电池输出功率Ppv仍为160W，光伏电池输出功率Ppv大于负载功率Po，说明系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。
模式1向模式2切换过程中光伏电池端电压Upv和负载端电压Uo的超调量很低，且切换前后系统均可稳定运行。
模式2向模式1切换也有两种情况，仿真结果如图7所示：
(1)负载功率Po＝200W不变，光伏电池输出功率Ppv由320W突变为80W。
如图7(a)所示，在1.5s时刻前，光伏电池输出功率Ppv为320W(2A×160V)，负载所需功率Po为200W(0.67A×300V)，光伏电池输出功率Ppv大于负载功率Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。1.5s时刻，光伏电池输出功率Ppv发生突变，由320W突变为80W(0.5A×160V)，1.6s时系统达到稳态。此时，负载所需功率Po仍为200W，光伏电池输出功率Ppv小于负载功率Po，说明系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。
(2)光伏电池输出功率Ppv＝160W不变，负载功率Po由100W突变至300W。
如图7(b)所示，在1.5s时刻前，光伏电池输出功率Ppv为160W(1A×160V)，负载所需功率Po为100W(0.33A×300V)，光伏电池输出功率Ppv大于负载功率Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。1.5s时，负载所需功率Po发生突变，由100W突变为300W(1A×300V)，2.1s时系统达到稳态。此时，光伏电池输出功率光伏电池输出功率Ppv仍为160W，Ppv小于Po，说明系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。
模式2向模式1切换过程中光伏电池端电压Upv和负载端电压Uo的超调量很低，且切换前后系统均可稳定运行。
从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的三端口变换器可以实现所有开关管的ZVS开通以及第一二极管D1的自然关断，且所有功率管承受较低的电压应力，具有较高的变换效率。此外，变换器采用图2所示调制策略能够实现光伏电池的最大功率输出和负载电压恒定，且变换器在光伏电池和负载的功率变化时能够合理地分配各端口之间的功率，灵活地实现模式切换，保证系统的稳定高效运行。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对其限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种具有较高升压能力的三端口变换器，所述三端口变换器的三个端口分别与光伏电池、蓄电池和负载连接，其特征在于，所述三端口变换器包括：
第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第一电感和第二电感；
所述蓄电池的正极与所述第一电感的第一端连接；
所述第一电感的第二端与所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的源极、所述第一电容的第二端连接；
所述第二开关管的漏极与所述光伏电池的正极、所述第二电容的第一端、所述第二电感的第一端连接；
所述第二电感的第二端与所述第一二极管的阳极连接；
所述第一电容的第一端与所述第一二极管的阴极、所述第二二极管的阳极连接；
所述第二二极管的阴极与所述第三电容的第一端、所述负载的正极连接；
所述负载的负极与所述蓄电池的负极、所述第一开关管的源极、所述第二电容的第二端、所述光伏电池的负极、所述第三电容的第二端连接。
2.如权利要求1所述的三端口变换器，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路包括第一控制支路、第二控制支路、调制单元，且所述第一控制支路与所述第二控制支路连接到所述调制单元；
所述第一控制支路用于获取所述光伏电池的输出电压以及所述光伏电池的输出电流，产生第一控制信号，以实现所述光伏电池的最大功率点跟踪控制；
所述第二控制支路用于获取所述负载的端电压，产生第二控制信号，以实现所述负载两端的恒压控制。
3.如权利要求2所述的三端口变换器，其特征在于，所述第一控制支路包括MPPT控制单元、第一加法器、第一控制器，所述第二控制支路包括第二加法器、第二控制器，所述调制单元包括压频转换器和比较器。
4.一种具有较高升压能力的三端口变换器的控制方法，其特征在于，应用于权利要求1至3任一项所述的三端口变换器，所述方法具体为：
获取所述光伏电池的输出电压以及所述光伏电池的输出电流，产生第一控制信号；
获取所述负载的端电压，产生第二控制信号；
根据所述第一控制信号和所述第二控制信号产生所述第一开关管的驱动信号，所述第一控制信号用于控制所述第一开关管的驱动信号的频率，所述第二控制信号用于控制所述第一开关管的驱动信号的占空比；
所述第一开关管的驱动信号取反得到所述第二开关管的驱动信号。
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