CN114221405A - 一种新型的光储一体直流变换器 - Google Patents

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郭茜婷
陈峥
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郑涛
魏兰兰
付馨慧
张良
涂承谦
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Abstract

本发明涉及一种新型的光储一体直流变换器，属于DC/DC变换器的技术领域。包括光伏输入单元、蓄电池输入单元和升压单元，光伏输入单元包括电感L1、电容C1、功率开关S1、功率开关S2和二极管D1，蓄电池输入单元包括蓄电池Ubat、电感L2、电容C2和功率开关S3，升压单元包括电感L3、电容C3、电容C4、二极管D2和二极管D3；本发明解决了现有技术的DC/DC变换器存在的电能浪费及电能利用率低等问题。

Description

一种新型的光储一体直流变换器
技术领域
本发明涉及一种新型的光储一体直流变换器，属于DC/DC变换器的技术领域。
背景技术
传统的混合型多端口变换器方案中新能源微电源和储能单元一般通过各自的DC/DC变换器与直流母线并联，虽然这种结构能够解决储能单元平衡微电源发电出力以及提高系统的供电稳定性问题，但是由于采用各自DC/DC变换器与直流母线并联式结构使储能系统每次充放电电时都要进行两次电能转换，造成电能浪费及电能利用率低等问题，且并联式结构还会增加系统设计成本以及控制器设计的复杂度，另外目前的多端口变换器大多都是基于传统的Boost变换器变结构得来，很少能实现较高增益，利用耦合电感实现的高增益由于存在漏感使得开关管的电压和电流应力都较大。
现有技术的DC/DC变换器存在电能浪费及电能利用率低等问题，因此，本发明提供一种新型的光储一体直流变换器用于解决上述问题。
发明内容
为了克服现有的DC/DC变换器存在的电能浪费及电能利用率低等缺点，本发明设计了一种新型的光储一体直流变换器，本发明能够实现储能单元接入,储能单元和光伏电池之间协调工作以及输出电压高增益，通过光伏输入单元和蓄电池输入单元解决了传统并联式结构能量利用率低和设计成高等问题,通过升压单元实现输入输出高增益,降低了主功率开关管上的电压电流应力。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型的光储一体直流变换器，包括光伏板Upv和负载单元，还包括光伏输入单元、蓄电池输入单元和升压单元，
所述光伏输入单元包括电感L1、电容C1、功率开关S1、功率开关S2和二极管D1，电容C1并联在光伏板Upv两端，电感L1的一端连接光伏板Upv正极端，另一端连接二极管D1的阳极端，所述二极管D1的阴极端连接功率开关S2正极端，所述功率开关S1一端连接二极管D1的阳极端，另一端连接光伏板Upv负极端；
所述蓄电池输入单元包括蓄电池Ubat，电感L2、电容C2和功率开关S3，所述蓄电池Ubat负极端连接光伏板Upv负极端，电感L2一端连接蓄电池Ubat正极端，另一端连接功率开关S3正极端，所述功率开关S3负极端连接蓄电池Ubat负极端，所述电容C2并联在蓄电池Ubat两端，所述功率开关S3正极端连接功率开关S2负极端；
所述升压单元包括电感L3、电容C3、电容C4、二极管D2和二极管D3，所述二极管D2阳极端连接二极管D1阴极端，二极管D2阴极端连接电感L3一端，所述电感L3另一端用于与负载单元连接，所述电容C3一端连接二极管D2阳极端，另一端连接二极管D3阳极端，所述电容C4一端连接二极管D2阴极端，另一端连接二极管D3阴极端，所述二极管D3阴极端连接功率开关S3负极端，所述二极管D3阳极端用于与负载单元连接。
所述负载单元包括电容C5和负载RL，所述电容C5一端连接电感L3远离二极管D2的一端，另一端连接二极管D3阳极端，所述负载RL两端并连在电感L3两端。
该变换器工作于三种不同的状态，分别为：
单输入双输出状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，在SIDO模式下，开关S3总是关闭，开关S1、S2采用交错控制方式，功率开关管S2控制蓄电池的充电电压，功率开关管S2只在S1关断时导通，且S1、S3的占空比之和小于1，蓄电池Ubat作为输出吸收PV模块多余的能量；
双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池Ubat同时给负载供电，光伏组件和蓄电池Ubat作为负载单元的输入电源，开关S2总是导通的，功率开关管S1、S3采用交错控制方式，且S1、S3的占空比之和小于1；
单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电，S1开关保持关断，S2开关保持闭合；当蓄电池Ubat不能发电时，光伏电池单独给负载供电，S2和S3开关保持关断，S1开关控制输出电压。
还包括光伏输入器壳、蓄电池输入器壳和升压器壳，所述光伏输入单元设置在光伏输入器壳内，所述光伏输入器壳一端设置有第一连接头和第二连接头，另一端设置有第一插座孔和第二插座孔，所述光伏输入器壳一侧设置有第五连接头，所述第一连接头与电容C1一端连接，电容C1另一端与第二连接头连接，所述第一插座孔连接功率开关S1负极端，所述第二插座孔连接功率开关S2负极端，所述第五连接头连接功率开关S2正极端；
所述蓄电池输入单元设置在蓄电池输入器壳内，所述蓄电池输入器壳一端设有第一插头和第二插头，另一端设置第三插座孔，所述第一插头连接功率开关S3正极端，第二插头连接蓄电池Ubat负极端，所述第三插座孔连接蓄电池Ubat负极端；
所述升压单元设置在升压器壳内，所述升压器壳一端设有第三插头，另一端设有第三连接头和第四连接头，所述升压器壳一侧设有第六连接头，所述第三插头连接二极管D2阳极端，所述第三连接头连接二极管D3阳极端，所述第四连接头连接电感L3远离二极管D2的一端，所述第六连接头连接二极管D2阳极端。
与现有技术相比本发明有以下特点和有益效果：
本发明通过改进传统的Boost变换器的结构，实现了储能单元的接入，仅包括三个开关，实现光伏发电、电池充放电和高增益输出，能同时实现SIDO、DISO、SIS0多种工作状态的切换，各个端口之间实现一次电能转换，减少能量转换次数，提高能量利用率；
本发明端口电压限制较宽松，可以灵活地设定负载电压水平，大大扩展了其应用范围。此外，由于电源和负载之间的单级功率转换，大大提高了转换器的效率，降低了主功率开关管电压电流应力；
本发明通过光伏输入器壳、蓄电池输入器壳和升压器壳的设置，光伏输入器壳、蓄电池输入器壳和升压器壳将本发明光伏输入单元，蓄电池输入单元和升压单元模块化，在某个零部件发生故障时，可以将单个模块进行更换；在实现模块化装配的同时，方便了零部件的更换，避免了材料和设备的浪费。
附图说明
图1是本发明的原理图；
图2是本发明的爆炸示意图；
图3是本发明另一角度的爆炸示意图。
其中附图标记为：10、光伏输入器壳；11、第一连接头；12、第二连接头；13、第一插座孔；14、第二插座孔；15、第五连接头；20、蓄电池输入器壳；21、第一插头；22、第二插头；23、第三插座孔；30、升压器壳；31、第三插头；32、第三连接头；33、第四连接头；34、第六连接头。
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。
如图1-3所示，本实施例的新型的光储一体直流变换器，包括光伏板Upv和负载单元，还包括光伏输入单元、蓄电池输入单元和升压单元，
所述光伏输入单元包括电感L1、电容C1、功率开关S1、功率开关S2和二极管D1，电容C1并联在光伏板Upv两端，电感L1的一端连接光伏板Upv正极端，另一端连接二极管D1的阳极端，所述二极管D1的阴极端连接功率开关S2正极端，所述功率开关S1一端连接二极管D1的阳极端，另一端连接光伏板Upv负极端；
所述蓄电池输入单元包括蓄电池Ubat、电感L2、电容C2和功率开关S3，所述蓄电池Ubat负极端连接光伏板Upv负极端，电感L2一端连接蓄电池Ubat正极端，另一端连接功率开关S3正极端，所述功率开关S3负极端连接蓄电池Ubat负极端，所述电容C2并联在蓄电池Ubat两端，所述功率开关S3正极端连接功率开关S2负极端；
所述升压单元包括电感L3、电容C3、电容C4、二极管D2和二极管D3，所述二极管D2阳极端连接二极管D1阴极端，二极管D2阴极端连接电感L3一端，所述电感L3另一端用于与负载单元连接，所述电容C3一端连接二极管D2阳极端，另一端连接二极管D3阳极端，所述电容C4一端连接二极管D2阴极端，另一端连接二极管D3阴极端，所述二极管D3阴极端连接功率开关S3负极端，所述二极管D3阳极端用于与负载单元连接。
进一步的，负载单元包括电容C5和负载RL，电容C5一端连接电感L3远离二极管D2的一端，另一端连接二极管D3阳极端，负载RL两端并连在电感L3两端。
进一步的，该变换器工作于三种不同的状态，分别为：
单输入双输出状态(SIDO模式)：此时Upv＞Ubat，当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，在SIDO模式下，开关S3总是关闭，开关S1、S2采用交错控制方式，功率开关管S2控制蓄电池的充电电压，功率开关管S2只在S1关断时导通，且S1、S3的占空比之和小于1，蓄电池Ubat作为输出吸收PV模块多余的能量；
双输入单输出状态(DISO模式)：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池Ubat同时给负载供电，光伏组件和蓄电池Ubat作为负载单元的输入电源，开关S2总是导通的，功率开关管S1、S3采用交错控制方式，且S1、S3的占空比之和小于1；此时Ubat＞Upv，蓄电池Ubat作为输出吸收PV模块多余的能量，相当于一个升压转换器从PV端口到蓄电池Ubat端口；
单输入单输出状态(SISO模式)：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电，S1开关保持关断，S2开关保持闭合；当蓄电池Ubat不能发电时，光伏电池单独给负载供电，S2和S3开关保持关断，S1开关控制输出电压。
进一步的，还包括光伏输入器壳10、蓄电池输入器壳20和升压器壳30，光伏输入单元设置在光伏输入器壳10内，光伏输入器壳10一端设置有第一连接头11和第二连接头12，另一端设置有第一插座孔13和第二插座孔14，光伏输入器壳10一侧设置有第五连接头15，第一连接头11与电容C1一端连接，电容C1另一端与第二连接头12连接，第一插座孔13连接功率开关S1负极端，第二插座孔14连接功率开关S2负极端，第五连接头15连接功率开关S2正极端；第一连接头11和第二连接头12分别通过线缆与Upv连接；
蓄电池输入单元设置在蓄电池输入器壳20内，蓄电池输入器壳20一端设有第一插头21和第二插头22，另一端设置第三插座孔23，第一插头21连接功率开关S3正极端，第二插头22连接蓄电池Ubat负极端，第三插座孔23连接蓄电池Ubat负极端，第一插头21和第二插头22分别插入对应的第一插座孔13和第二插座孔14中；
升压单元设置在升压器壳30内，升压器壳30一端设有第三插头31，另一端设有第三连接头32和第四连接头33，升压器壳30一侧设有第六连接头34，第三插头31连接二极管D2阳极端，第三连接头32连接二极管D3阳极端，第四连接头33连接电感L3远离二极管D2的一端，第六连接头34连接二极管D2阳极端，第三插头31插入第三插座孔23中，第六连接头34通过线缆与第五连接头15连接，第三连接头32通过线缆与电容C5一端连接，电容C5另一端连接第四连接头33。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种新型的光储一体直流变换器，包括光伏板Upv和负载单元，其特征在于：还包括光伏输入单元、蓄电池输入单元和升压单元，
所述光伏输入单元包括电感L1、电容C1、功率开关S1、功率开关S2和二极管D1，电容C1并联在光伏板Upv两端，电感L1的一端连接光伏板Upv正极端，另一端连接二极管D1的阳极端，所述二极管D1的阴极端连接功率开关S2正极端，所述功率开关S1一端连接二极管D1的阳极端，另一端连接光伏板Upv负极端；
所述蓄电池输入单元包括蓄电池Ubat、电感L2、电容C2和功率开关S3，所述蓄电池Ubat负极端连接光伏板Upv负极端，电感L2一端连接蓄电池Ubat正极端，另一端连接功率开关S3正极端，所述功率开关S3负极端连接蓄电池Ubat负极端，所述电容C2并联在蓄电池Ubat两端，所述功率开关S3正极端连接功率开关S2负极端；
所述升压单元包括电感L3、电容C3、电容C4、二极管D2和二极管D3，所述二极管D2阳极端连接二极管D1阴极端，二极管D2阴极端连接电感L3一端，所述电感L3另一端用于与负载单元连接，所述电容C3一端连接二极管D2阳极端，另一端连接二极管D3阳极端，所述电容C4一端连接二极管D2阴极端，另一端连接二极管D3阴极端，所述二极管D3阴极端连接功率开关S3负极端，所述二极管D3阳极端用于与负载单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型的光储一体直流变换器，其特征在于，所述负载单元包括电容C5和负载RL，所述电容C5一端连接电感L3远离二极管D2的一端，另一端连接二极管D3阳极端，所述负载RL两端并连在电感L3两端。
3.根据权利要求1所述的一种新型的光储一体直流变换器，其特征在于，该变换器工作于三种不同的状态，分别为：
单输入双输出状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，开关S3总是关闭，开关S1、S2采用交错控制方式，功率开关管S2控制蓄电池的充电电压，功率开关管S2只在S1关断时导通，且S1、S3的占空比之和小于1，蓄电池Ubat作为输出吸收PV模块多余的能量；
双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池Ubat同时给负载供电，光伏组件和蓄电池Ubat作为负载单元的输入电源，开关S2总是导通的，功率开关管S1、S3采用交错控制方式，且S1、S3的占空比之和小于1；
单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电，S1开关保持关断，S2开关保持闭合；当蓄电池Ubat不能发电时，光伏电池单独给负载供电，S2和S3开关保持关断，S1开关控制输出电压。
4.根据权利要求1所述的一种新型的光储一体直流变换器，其特征在于：还包括光伏输入器壳(10)、蓄电池输入器壳(20)和升压器壳(30)，所述光伏输入单元设置在光伏输入器壳(10)内，所述光伏输入器壳(10)一端设置有第一连接头(11)和第二连接头(12)，另一端设置有第一插座孔(13)和第二插座孔(14)，所述光伏输入器壳(10)一侧设置有第五连接头(15)，所述第一连接头(11)与电容C1一端连接，电容C1另一端与第二连接头(12)连接，所述第一插座孔(13)连接功率开关S1负极端，所述第二插座孔(14)连接功率开关S2负极端，所述第五连接头(15)连接功率开关S2正极端；
所述蓄电池输入单元设置在蓄电池输入器壳(20)内，所述蓄电池输入器壳(20)一端设有第一插头(21)和第二插头(22)，另一端设置第三插座孔(23)，所述第一插头(21)连接功率开关S3正极端，第二插头(22)连接蓄电池Ubat负极端，所述第三插座孔(23)连接蓄电池Ubat负极端；
所述升压单元设置在升压器壳(30)内，所述升压器壳(30)一端设有第三插头(31)，另一端设有第三连接头(32)和第四连接头(33)，所述升压器壳(30)一侧设有第六连接头(34)，所述第三插头(31)连接二极管D2阳极端，所述第三连接头(32)连接二极管D3阳极端，所述第四连接头(33)连接电感L3远离二极管D2的一端，所述第六连接头(34)连接二极管D2阳极端。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106026646A (zh) * 2016-07-23 2016-10-12 河北工业大学 一种非隔离三端口dc-dc变换器及其使用方法
CN107733221A (zh) * 2017-10-30 2018-02-23 西安交通大学 一种多单元耦合电感开关电容网络高增益直流变换器
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