CN114221546A - 一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置 - Google Patents

一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置，包括输入单元和升压单元；输入单元包括电感L1、L2，功率开关S1、S2、S3、S4、S5，二极管D1、D2；光伏输入的正极与二极管D1的阳极连接，负极与蓄电池输入的负极、功率开关S4、S5的源极连接；功率开关S2的漏极与二极管D1的阴极连接；电感L2的一端与功率开关S2的源极连接，另一端与功率开关S4的漏极连接；功率开关S1的源极与功率开关S2的漏极连接，漏极与蓄电池输入的源极连接；二极管D2的阳极与功率开关S4的漏极连接，阴极与功率开关S3的源极连接；功率开关S3的漏极与蓄电池输入的正极连接。本发明实现了多端口直流变换器和高增益直流变换器的集成。

Description

一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置
技术领域
本发明涉及一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置，属于直流变换器技术领域。
背景技术
光伏和燃料电池作为一种清洁、可再生能源，具有广阔的发展前景。然而这些能源形式均属于低压直流电源，输出电压范围一般为20～40V，不能直接并网发电，需要一种电力电子变换装置首先将其提升到直流380V或更高的电压等级。传统的Boost变换器若实现10倍以上的电压增益，开关管占空比接近1，会出现严重的二极管反向恢复和电磁干扰问题。而且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。因此，改进现有并联式结构对于减少储能系统能量转换次数、提高系统能量利用率、降低系统设计成本、优化控制器设计及实现高增益和开关管的低应力具有重要意义。
发明内容
为了克服上述问题，本发明提供一种交错并联高增益Boost直流变换器及控制方法、控制装置，该直流变换器和该控制方法实现了多端口DC/DC变换器和高增益DC/DC变换器的集成，可使新能源微电源发电冗余通过蓄电池储能单元直接存储起来，在光伏电池发电功率不足时蓄电池可以将存储的电能释放出来供负载实用，所述变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率。
本发明的技术方案如下：
第一部分
一种交错并联高增益Boost直流变换器，包括输入单元和升压单元；
所述输入单元包括电感L1、L2，功率开关S1、S2、S3、S4、S5，二极管D1、D2；光伏输入的正极与所述二极管D1的阳极连接，负极与蓄电池输入的负极、所述功率开关S4、S5的源极连接；所述功率开关S2的漏极与所述二极管D1的阴极连接；所述电感L2的一端与所述功率开关S2的源极连接，另一端与所述功率开关S4的漏极连接；所述功率开关S1的源极与所述功率开关S2的漏极连接，漏极与所述蓄电池输入的源极连接；所述二极管D2的阳极与所述功率开关S4的漏极连接，阴极与所述功率开关S3的源极连接；所述功率开关S3的漏极与所述蓄电池输入的正极连接；所述电感L1的一端与所述二极管D1的阴极连接，另一端与所述功率开关S5的漏极连接；
所述升压单元包括电容C1、C2、C3，二极管D3、D4、D5、D6；所述二极管D3的阳极与所述功率开关S5的漏极连接，阴极与所述二极管D4的阳极连接；所述二极管D5的阳极与所述所述电容C1的一端与所述功率开关S4的漏极连接，另一端与所述二极管D3的阴极连接；所述电容C2的一端与所述功率开关S5的漏极连接，另一端与所述二极管D4的阴极连接；所述电容C3的一端与所述二极管D3的阴极连接，另一端与所述二极管D5的阴极连接；
所述光伏输入的电压小于所述蓄电池输入的电压。
进一步的，所述二极管D6的阴极通过电容C0与所述光伏输入的负极连接；所述电容C0的两端与负载的两端连接。
第二部分
一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，用于控制第一部分中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器，
当所述光伏输入的输入功率大于负载端的负载功率时，所述功率开关S1、S4断开，所述功率开关S2、S3、S5导通；
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率不为0时，所述功率开关S2、S3断开，所述功率开关S1、S4，S5导通；
当所述光伏输入的输入功率为0时，所述功率开关S2、S3、S5断开，所述功率开关S1、S4导通；
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率为0时，所述功率开关S1、S2、S3、S4断开，所述功率开关S5导通。
第三部分
一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制装置，包括存储模块，所述存储模块用于存储第二部分中所述的交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，该控制装置对第一部分中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器进行控制。
本发明具有如下有益效果：
1.该直流变换器通过改进传统的Boost变换器的结构，实现了储能单元的接入，包括五个开关，实现光伏发电、电池充放电和高增益输出。
2.该直流变换器由于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。通过二极管电容升压单元同时实现输入输出电压高增益，降低了主功率开关管电压电流应力。
3.该控制方法能同时实现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。
附图说明
图1为本发明的实施例的Boost直流变换器示意图。
图2为本发明的实施例在双输入单输出状态下的输出电压及各元器件电压电流波形。
图3为本发明的实施例在单输入双输出状态下的输出电压及各元器件电压电流波形。
图4为本发明的实施例在光伏输入单输入单输出状态下的输出电压及各元器件电压电流波形。
图5为本发明的实施例在蓄电池输入单输入单输出状态下的输出电压及各元器件电压电流波形。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
第一部分
实施例一
参考图1，一种交错并联高增益Boost直流变换器，包括输入单元和升压单元；
所述输入单元包括电感L1、L2，功率开关S1、S2、S3、S4、S5，二极管D1、D2；光伏输入的正极与所述二极管D1的阳极连接，负极与蓄电池输入的负极、所述功率开关S4、S5的源极连接；所述功率开关S2的漏极与所述二极管D1的阴极连接；所述电感L2的一端与所述功率开关S2的源极连接，另一端与所述功率开关S4的漏极连接；所述功率开关S1的源极与所述功率开关S2的漏极连接，漏极与所述蓄电池输入的源极连接；所述二极管D2的阳极与所述功率开关S4的漏极连接，阴极与所述功率开关S3的源极连接；所述功率开关S3的漏极与所述蓄电池输入的正极连接；所述电感L1的一端与所述二极管D1的阴极连接，另一端与所述功率开关S5的漏极连接；
所述升压单元包括电容C1、C2、C3，二极管D3、D4、D5、D6；所述二极管D3的阳极与所述功率开关S5的漏极连接，阴极与所述二极管D4的阳极连接；所述二极管D5的阳极与所述所述电容C1的一端与所述功率开关S4的漏极连接，另一端与所述二极管D3的阴极连接；所述电容C2的一端与所述功率开关S5的漏极连接，另一端与所述二极管D4的阴极连接；所述电容C3的一端与所述二极管D3的阴极连接，另一端与所述二极管D5的阴极连接；
所述光伏输入的电压小于所述蓄电池输入的电压。
实施例二
一种交错并联高增益Boost直流变换器，在实施例一的基础上，所述二极管D6的阴极通过电容C0与所述光伏输入的负极连接；所述电容C0的两端与负载的两端连接。
第二部分
实施例三
一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，用于控制第一部分中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器，
当所述光伏输入的输入功率大于负载端的负载功率时，所述功率开关S1、S4断开，所述功率开关S2、S3、S5导通；此时，直流变换器工作在单输入双输出(SIDO)模式下，所述光伏输入对负载和所述蓄电池输入进行供电，参考图2，为SIDO工况下，所述光伏输入的输入电压upv为30V时的输出电压及各元器件电压电流波形
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率不为0时，所述功率开关S2、S3断开，所述功率开关S1、S4，S5导通；此时，直流变换器工作在双输入单输出(DISO)模式下，光伏输入和蓄电池共同对负载进行供电，参考图3，为DISO工况下，所述光伏输入的输入电压为30V，所述蓄电池输入的输入电压为40V时的输出电压及各元器件电压电流波形。
当所述光伏输入的输入功率为0时，所述功率开关S2、S3、S5断开，所述功率开关S1、S4导通；此时，直流变换器工作在蓄电池输入的单输入单输出(SISO)模式下，所述蓄电池输入单独给负载供电，参考图4，为蓄电池输入的SISO工况下，所述蓄电池输入的输入电压ub为40V时的输出电压及各元器件电压电流波形。
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率为0时，所述功率开关S1、S2、S3、S4断开，所述功率开关S5导通。此时，直流变换器工作在光伏输入的单输入单输出(SISO)模式下，所述光伏输入单独给负载供电，参考图5，为光伏输入的SISO工况下，所述光伏输入的输入电压upv为30V时的输出电压及各元器件电压电流波形。
第三部分
实施例四
一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制装置，包括存储模块，所述存储模块用于存储第二部分中所述的交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，该控制装置对第一部分中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器进行控制。
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)

1.一种交错并联高增益Boost直流变换器，其特征在于，包括输入单元和升压单元；
所述输入单元包括电感L1、L2，功率开关S1、S2、S3、S4、S5，二极管D1、D2；光伏输入的正极与所述二极管D1的阳极连接，负极与蓄电池输入的负极、所述功率开关S4、S5的源极连接；所述功率开关S2的漏极与所述二极管D1的阴极连接；所述电感L2的一端与所述功率开关S2的源极连接，另一端与所述功率开关S4的漏极连接；所述功率开关S1的源极与所述功率开关S2的漏极连接，漏极与所述蓄电池输入的源极连接；所述二极管D2的阳极与所述功率开关S4的漏极连接，阴极与所述功率开关S3的源极连接；所述功率开关S3的漏极与所述蓄电池输入的正极连接；所述电感L1的一端与所述二极管D1的阴极连接，另一端与所述功率开关S5的漏极连接；
所述升压单元包括电容C1、C2、C3，二极管D3、D4、D5、D6；所述二极管D3的阳极与所述功率开关S5的漏极连接，阴极与所述二极管D4的阳极连接；所述二极管D5的阳极与所述所述电容C1的一端与所述功率开关S4的漏极连接，另一端与所述二极管D3的阴极连接；所述电容C2的一端与所述功率开关S5的漏极连接，另一端与所述二极管D4的阴极连接；所述电容C3的一端与所述二极管D3的阴极连接，另一端与所述二极管D5的阴极连接；
所述光伏输入的电压小于所述蓄电池输入的电压。
2.根据权利要求1所述交错并联高增益Boost直流变换器，其特征在于，所述二极管D6的阴极通过电容C0与所述光伏输入的负极连接；所述电容C0的两端与负载的两端连接。
3.一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，用于控制权利要求1-3中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器，其特征在于，
当所述光伏输入的输入功率大于负载端的负载功率时，所述功率开关S1、S4断开，所述功率开关S2、S3、S5导通；
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率不为0时，所述功率开关S2、S3断开，所述功率开关S1、S4，S5导通；
当所述光伏输入的输入功率为0时，所述功率开关S2、S3、S5断开，所述功率开关S1、S4导通；
当所述光伏输入的输入功率小于负载端的负载功率时，且所述光伏输入和所述蓄电池输入的输入功率为0时，所述功率开关S1、S2、S3、S4断开，所述功率开关S5导通。
4.一种交错并联高增益Boost直流变换器的控制装置，其特征在于，包括存储模块，所述存储模块用于存储权利要求4中所述的交错并联高增益Boost直流变换器的控制方法，该控制装置对权利要求1-2中任意一种交错并联高增益Boost直流变换器进行控制。
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