CN114499170A - 变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质 - Google Patents

变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质 Download PDF

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CN114499170A CN202210020666.8A CN202210020666A CN114499170A CN 114499170 A CN114499170 A CN 114499170A CN 202210020666 A CN202210020666 A CN 202210020666A CN 114499170 A CN114499170 A CN 114499170A
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Abstract

本申请涉及一种变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质，所述变结构电压变换电路包括主电路单元、电压检测单元、电流检测单元、主控制单元、开关管驱动单元及结构选择单元。其中，主电路单元，根据结构选择信号选择变结构电压变换电路的主电路结构，以将输入电压变换到预设的第一电压参考值；电压检测单元及电流检测单元分别用于检测出主电路单元的输出电压Vo和输出电流Io；主控制单元用于计算出实时负载值及占空比；结构选择单元用于控制主电路单元的结构；开关管驱动单元用于驱动主电路单元中的开关管。上述变结构电压变换电路可以工作在三种不同结构，拥有着三种电压变换比并且实现输出与输出电压极性相反的电压。

Description

变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质
技术领域
本申请涉及电压变换技术领域，特别是涉及一种变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质。
背景技术
能源是人类社会发展的根本，化石能源的日益枯竭以及环境问题使得清洁的可再生能源成为二十一世纪的主题，在清洁能源中，光伏格外受到青睐。而电力电子变换器是让光伏发电并入能源系统中的重要一环。
光伏系统随着光照强度的变换，输出的电压也会随之波动。然而传统的电力电子变换器由于拓扑结构是固定的，电压变换比往往是固定的。这使得变换器难以在光伏输出电压波动剧烈的情况下难以输出满足要求的电压。并且随着分布式发电系统越来越复杂，变换器工作中遇到的干扰也越来越多，传统的闭环控制系统也越来越难以满足要求。
因此，如何设计一种拓扑结构可以改变的变结构电压变换电路，使其不仅能够通过改变拓扑结构从而改变电压变换比来满足不同输入情况下的要求，又可以通过改变拓扑来应对系统中的突发情况，是本领域人员亟需解决的关键问题。
发明内容
基于此，有必要针对以上技术问题，提供一种变结构电压变换电路、设备和控制方法和存储介质，解决传统变换器因为拓扑无法改变从而无法满足多种工况的输出及复杂工况带来的稳定性问题。
本申请一方面提供了一种变结构电压变换电路，如图1所示，图1为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构及拓扑示意图。包括主电路单元，用于根据结构选择信号选择变结构电压变换电路的主电路结构，并且用于根据开关信号控制开关管动作，以将输入电压变换到预设的第一电压参考值Vref1；
其中，通过改变主电路单元中第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3以及第四继电器J4的通断，改变变结构电压变换电路的主电路单元的结构；通过改变主电路单元中开关管S的占空比来改变所述变结构电压变换电路的电压变换比；
电压检测单元，输入端与主电路单元的输出端连接，输出端与主控制单元的第二输入端相连，用于检测出主电路单元的输出电压Vo并传输给主控制单元；
电流检测单元，输入端与主电路单元中的直流输入电源Vin的输出端连接，输出端与主控制单元的第二输入端相连，用于检测出主电路单元的输出电流Io并传输给主控制单元；
主控制单元，第一输入端与电流参考值Iref连接；第二输入端与第一电压参考值Vref1连接；第三输入端与电流检测单元的输出端连接；第四输入端与电压检测单元的输出端连接；第一输出端与结构选择单元的输入端连接；第四输出端与开关管驱动单元的输入端连接；用于根据主电路单元的输出电压Vo、输出电流Io、第一电压参考值Vref1及电流参考值Iref计算出实时负载值Vp并传输给开关管驱动单元，且根据实时负载值Vp、主电路单元的输出电压Vo和输出电流Io计算出使主电路单元输出电压回到预设值的占空比d并传输给开关管驱动电路；
开关管驱动电路，输入端与主控制单元的第二输出端相连，输出端与主电路单元中的开关管S的第三端连接，用于根据占空比d进行电压电流放大，输出足以驱动开关管S的PWM信号；
结构选择单元，输入端与主电路单元的第一输出端连接，第一输出端与主电路单元中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路单元中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路单元中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路单元中的第四继电器J4的信号端连接；所述结构选择单元将电压划分为三个电压区间，根据实时负载值Vp所在电压区间，输出第一结构选择信号a1至主电路单元中的第一继电器J1的信号端，输出第二结构选择信号a2至主电路单元中的第二继电器J2的信号端，输出第三结构选择信号a3至主电路单元中的第三继电器J3的信号端，输出第四结构选择信号a4至主电路单元中的第四继电器J4的信号端，从而选择主电路单元的结构；
在其中一个实施例中，所述主电路单元直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第二继电器J2的公共端及所述第三继电器J3的公共端连接；所述第二继电器J2的常闭端与所述第二电容C2的第一端及所述第一二极管D1的阳极连接；所述第三继电器J3的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第二电容C2的第二端与所述第二二极管D2的阴极及所述第四二极管D4的阳极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第二二极管D2的阳极及所述第三电容C3的第一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第五电容C5及所述第一继电器J1的常闭端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第三二极管D3的阳极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第四电容C4的第二端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述负载R1的第一端与所述第一继电器J1的公共端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的第二端与所述开关管S的第三端、所述第三电容C3的第二端、所述第三二极管D3的阴极、所述第四电容C4的第一端及所述第四继电器J4的常开端连接。
在其中一个实施例中，所述的变结构电压变换电路的主电路，其特征在于，通过改变所述的变结构电压变换电路结构选择器信号端的状态，即通过改变所述第一继电器J1、所述第二继电器J2、所述第三继电器J3和所述第四继电器J4的信号端的状态，从而使变结构电压变换电路的主电路单元的结构发生变化，主单元结构分别有结构1、结构2及结构3，所对应的继电器信号端状态及电压变换比G如下：
结构1，如图3所示，图3为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构1的状态及拓扑示意图。对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462417150000051
结构2，如图4所示，图4为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构2的状态及拓扑示意图。对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为高电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常开端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462417150000052
结构3，如图5所示，图5为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构3的状态及拓扑示意图.对应所述第一继电器J1的信号端为高电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常开端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure BDA0003462417150000053
在其中一个实施例中，所述主控制单元通过以下公式
Figure BDA0003462417150000054
计算实时负载值；占空比d通过公式
Figure BDA0003462417150000061
得到，其中第一控制系数K1、第二控制系数K2、第三控制系数K3、第四控制系数K4、第五控制系数K5及第六控制系数K6应根据实际工况给定。
在其中一个实施例中，所述结构选择单元包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR、异或门XOR、第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第十一电阻R11，第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14、第十五电阻R15，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4，第二参考电压Vref2及第三参考电压Vref3；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述主控制单元的第一输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第二比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接。
所述第一与门AND1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第一端及所述第四电阻R4的第一端连接；所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的发射极及地连接；所述第三电阻R3的第二端与12V电压及所述第五电阻R5的第二端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第一端及所述主电路单元中第一继电器J1的信号端连接；
所述第二与门AND2的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第一端及所述第八电阻R8的第一端连接；所述第三三极管Q3的发射极与所述第四三极管Q4的发射极及地连接；所述第七电阻R7的第二端与12V电压及所述第九电阻R9的第二端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第一端及所述主电路单元中第二继电器J2的信号端连接；
所述或门OR的输出端与所述第十电阻R10的第一端连接；所述第十电阻R10的第二端与所述第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的集电极与所述第十一电阻R11的第一端及所述第十二电阻R12的第一端连接；所述第五三极管Q5的发射极与所述第六三极管Q6的发射极及地连接；所述第十一电阻R11的第二端与12V电压及所述第十三电阻R13的第二端连接；所述第十二电阻R12的第二端与所述第六三极管Q6的基极连接；所述第六三极管Q6的集电极与所述第十三电阻R13的第一端及所述主电路单元中第三继电器J3的信号端连接；
所述与或门XOR的输出端与所述第十四电阻R14的第一端连接；所述第十四电阻R14的第二端与所述第七三极管Q7的基极连接；所述第七三极管Q7的集电极与所述第十五电阻R15的第一端及所述第十六电阻R16的第一端连接；所述第七三极管Q7的发射极与所述第八三极管Q8的发射极及地连接；所述第十五电阻R15的第二端与12V电压及所述第十七电阻R17的第二端连接；所述第十六电阻R16的第二端与所述第八三极管Q8的基极连接；所述第八三极管Q8的集电极与所述第十七电阻R17的第一端及所述主电路单元中第四继电器J4的信号端连接；
在其中一个实施例中，通过所述第二参考电压Vref2和所述第三参考电压Vref3将电压划分为三个电压区间；通过所述第一比较器COMP1和所述第二比较器COMP2获得所述实时负载值Vp所在哪个电压区间，从而知道负载的变化剧烈程度及主电路单元应该工作在为哪种结构；再通过第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR及异或门XOR运算出第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4信号端应该给定的信号；具体如下：
若实时负载值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路单元应该工作在结构1，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出0，异或门XOR输出0；第一结构选择信号a1输出低电平，第二结构选择信号a2输出低电平，第三结构选择信号a3输出低电平，第四结构选择信号a4输出低电平；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元变换到结构1；
若实时负载值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路应该工作在高增益模式，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出1，异或门XOR输出1；第一结构选择信号a1输出低电平，第二结构选择信号a2输出低电平，第三结构选择信号a3输出高电平，第四结构选择信号a4输出高电平；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路单元被切换到结构2；
若负实时负载VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路单元应该工作在结构3，第一与门AND1输出1，第二与门AND2输出1，或门OR输出1，异或门XOR输出0；第一结构选择信号a1输出高电平，第二结构选择信号a2输出高电平，第三结构选择信号a3输出高电平，第四结构选择信号a4输出低电平；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元被切换到结构3。
在其中一个实施例中，所述的第二电压参考值Vref2比第三电压参考值Vref3小，其具体值应根据实际工况设定或使用大量样本让神经网络模型离线训练出。
本申请第二方面提供了一种多模式电压变换设备，包括：
前一实施例中所述的变结构电压变换电路。
本申请第三方面提供了一种变结构电压变换控制方法，用于控制前述任一实施例所述的变结构变换电路。如图2所示，图2为本申请第三实施例中提供的变结构电压变换控制方法的工作流程图.所述变结构电压控制方法包括：
S1：电压检测单元和电流检测单元检测出负载电压Vo和负载电流Io；
S2：主控制单元根据负载电压Vo和负载电流Io计算出实时负载值Vp；
S3：结构选择单元根据实时负载值Vp、第二电压参考值Vref2及第三电压参考值Vref3判断出主电路单元应该变换的结构并且输出第一结构选择信号a1、第二结构选择信号a2、第三结构选择信号a3、第四结构选择信号a4；
S4：第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3、第四继电器J4动作，使主电路单元的结构发生变化；
S5：主控制单元根据负载电压Vo、负载电流Io和第一电压参考值Vref1输出占空比d；
S6：开关管驱动单元根据占空比d，输出PWM信号；
S7：开关管根据PWM信号开通关断，将输入直流电源的电压变换为第一电压参考值Vref1。
本申请第四方面提供了一种存储介质，所述存储介质是计算机可读的，且其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上一实施例中S2、S3及S6所述的变结构电压变换控制方法的步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下文对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，下述附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构及拓扑示意图；
图2为本申请第三实施例中提供的变结构电压变换控制方法的工作流程图；
图3为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构1的状态及拓扑示意图；
图4为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构2的状态及拓扑示意图；
图5为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的结构1的状态及拓扑示意图；
图6为本申请一个实施例中提供的变结构电压变换电路的三种结构的增益曲线图；
具体实施方式
为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件时，它可以是直接连接到另一个元件，或者通过居中元件连接另一个元件。此外，以下实施例中的“连接”，如果被连接的对象之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
在本申请提供的一个实施例中，如图1所示，提供了一种变结构电压变换电路，包括主电路单元，电压检测单元，电流检测单元，主控制单元，开关管驱动单元及结构选择单元。
其中，电压检测单元，输入端与主电路单元的输出端连接，输出端与主控制电路的第四输入端连接；电流检测单元，输入端与主电路单元的输出连接，输出端与主控制单元的第三输入端相连；主控制单元，第一输入端与电流参考值Iref连接；第二输入端与第一电压参考值Vref1连接；第三输入端与电流检测单元的输出端连接；第四输入端与电压检测单元的输出端连接；第一输出端与结构选择单元的第一输入端连接；第二输出端与开关管驱动单元的输入端连接；开关管驱动电路，输入端与主控制单元的第二输出端相连，输出端与主电路单元中的开关管S的第三端连接；结构选择单元，第一输入端与主电路单元的第一输出端连接，第二输入端与第二电压参考值Vref2连接，第三输入端与第三电压参考值Vref3连接，第一输出端与主电路单元中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路单元中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路单元中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路单元中的第四继电器J4的信号端连接；
所述主电路单元包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第二继电器J2的公共端及所述第三继电器J3的公共端连接；所述第二继电器J2的常闭端与所述第二电容C2的第一端及所述第一二极管D1的阳极连接；所述第三继电器J3的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第二电容C2的第二端与所述第二二极管D2的阴极及所述第四二极管D4的阳极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第二二极管D2的阳极及所述第三电容C3的第一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第五电容C5及所述第一继电器J1的常闭端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第三二极管D3的阳极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第四电容C4的第二端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述负载R1的第一端与所述第一继电器J1的公共端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的第二端与所述开关管S的第三端、所述第三电容C3的第二端、所述第三二极管D3的阴极、所述第四电容C4的第一端及所述第四继电器J4的常开端连接。
所述结构选择单元包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR、异或门XOR、第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第十一电阻R11，第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14、第十五电阻R15，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述主控制单元的第一输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第二比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接。
所述第一与门AND1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第一端及所述第四电阻R4的第一端连接；所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的发射极及地连接；所述第三电阻R3的第二端与12V电压及所述第五电阻R5的第二端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第一端及所述主电路单元中第一继电器J1的信号端连接；
所述第二与门AND2的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第一端及所述第八电阻R8的第一端连接；所述第三三极管Q3的发射极与所述第四三极管Q4的发射极及地连接；所述第七电阻R7的第二端与12V电压及所述第九电阻R9的第二端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第一端及所述主电路单元中第二继电器J2的信号端连接；
所述或门OR的输出端与所述第十电阻R10的第一端连接；所述第十电阻R10的第二端与所述第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的集电极与所述第十一电阻R11的第一端及所述第十二电阻R12的第一端连接；所述第五三极管Q5的发射极与所述第六三极管Q6的发射极及地连接；所述第十一电阻R11的第二端与12V电压及所述第十三电阻R13的第二端连接；所述第十二电阻R12的第二端与所述第六三极管Q6的基极连接；所述第六三极管Q6的集电极与所述第十三电阻R13的第一端及所述主电路单元中第三继电器J3的信号端连接；
所述与或门XOR的输出端与所述第十四电阻R14的第一端连接；所述第十四电阻R14的第二端与所述第七三极管Q7的基极连接；所述第七三极管Q7的集电极与所述第十五电阻R15的第一端及所述第十六电阻R16的第一端连接；所述第七三极管Q7的发射极与所述第八三极管Q8的发射极及地连接；所述第十五电阻R15的第二端与12V电压及所述第十七电阻R17的第二端连接；所述第十六电阻R16的第二端与所述第八三极管Q8的基极连接；所述第八三极管Q8的集电极与所述第十七电阻R17的第一端及所述主电路单元中第四继电器J4的信号端连接；
若实时负载值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路单元应该以在结构1工作，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出0，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元的结构被切换到结构1；如图3所示。
主电路单元工作在结构1时有两个模态，当主电路单元工作在结构1的模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第三电容C3给第二电容C2充电，第五电容C5给负载供电；当主电路单元工作在结构1的模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1给第三电容C3充电，直流输入电源Vin、第一电感L1及第二电容C2给第五电容C5充电，给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462417150000171
且
VC2＝VC3
Vo＝VC2+VC3
再根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462417150000172
若实时负载值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路单元应该以结构2工作，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出1，异或门XOR输出1；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路单元被切换到结构2；如图4所示。
主电路单元工作在结构2时有两个模态，当主电路工作在结构2的模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，第三电容C3给第二电容C2充电，第四电容C4及第五电容C5给负载供电；当主电路工作在结构2的模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1给第三电容C3充电，直流输入电源Vin、第一电感L1及第二电容C2给第五电容C5充电，给负载供电；直流输入电源Vin及第一电感L1给第四电容C4充电，第二电感L2给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462417150000181
Figure BDA0003462417150000182
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462417150000183
若实时负载值VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路单元应该以结构3工作，第一与门AND1输出1，第二与门AND2输出1，或门OR输出1，异或门XOR输出0；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元被切换到结构3；如图5所示。
主电路单元工作在结构3时有两个模态，当主电路单元工作在结构3的模态1时，开关管S导通，直流输入电源Vin给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，给负载供电；当主电路单元工作在结构3的模态2时，开关管S断开，直流输入电源Vin及第一电感L1给第四电容C4充电，第二电感L2给负载供电。
对以上两个模态分析，可得第一电感L1的电压为：
Figure BDA0003462417150000191
Figure BDA0003462417150000192
根据电感的伏秒平衡定理，可以得出：
Figure BDA0003462417150000193
变结构电压变换电路的三种结构的增益曲线图如图6所示。

Claims (10)

1.一种变结构电压变换电路，其特征在于，包括：
主电路单元，用于根据结构选择信号选择变结构电压变换电路的主电路结构，并且用于根据开关信号控制开关管动作，以将输入电压变换到预设的第一电压参考值Vref1；
其中，通过改变主电路单元中第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3以及第四继电器J4的通断，改变变结构电压变换电路的主电路单元的结构；通过改变主电路单元中开关管S的占空比来改变所述变结构电压变换电路的电压变换比；
电压检测单元，输入端与主电路单元的输出端连接，输出端与主控制单元的第二输入端相连，用于检测出主电路单元的输出电压Vo并传输给主控制单元；
电流检测单元，输入端与主电路单元中的直流输入电源Vin的输出端连接，输出端与主控制单元的第二输入端相连，用于检测出主电路单元的输出电流Io并传输给主控制单元；
主控制单元，第一输入端与电流参考值Iref连接；第二输入端与第一电压参考值Vref1连接；第三输入端与电流检测单元的输出端连接；第四输入端与电压检测单元的输出端连接；第一输出端与结构选择单元的输入端连接；第二输出端与开关管驱动单元的输入端连接；用于根据主电路单元的输出电压Vo、输出电流Io、第一电压参考值Vref1及电流参考值Iref计算出实时负载值Vp并传输给开关管驱动单元，且根据实时负载值Vp、主电路单元的输出电压Vo和输出电流Io计算出使主电路单元输出电压回到预设值的占空比d并传输给开关管驱动电路；
开关管驱动电路，输入端与主控制单元的第二输出端相连，输出端与主电路单元中的开关管S的第三端连接，用于根据占空比d进行电压电流放大，输出足以驱动开关管S的PWM信号；
结构选择单元，输入端与主电路单元的第一输出端连接，第一输出端与主电路单元中的第一继电器J1的信号端连接，第二输出端与主电路单元中的第二继电器J2的信号端连接，第三输出端与主电路单元中的第三继电器J3的信号端连接，第四输出端与主电路单元中的第四继电器J4的信号端连接；所述结构选择单元将电压划分为三个电压区间，根据实时负载值Vp所在电压区间，输出第一结构选择信号a1至主电路单元中的第一继电器J1的信号端，输出第二结构选择信号a2至主电路单元中的第二继电器J2的信号端，输出第三结构选择信号a3至主电路单元中的第三继电器J3的信号端，输出第四结构选择信号a4至主电路单元中的第四继电器J4的信号端，从而选择主电路单元的结构。
2.根据权利要求1所述的变结构电压变换电路，其特征在于，所述主电路单元包括直流输入电源Vin、第一电感L1、第二电感L2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、开关管S、负载R1、第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3和第四继电器J4；
所述直流输入电源Vin的正极与所述第一电感L1的第一端连接；所述第一电感L1的第二端与所述开关管S的第一端、所述第二继电器J2的公共端及所述第三继电器J3的公共端连接；所述第二继电器J2的常闭端与所述第二电容C2的第一端及所述第一二极管D1的阳极连接；所述第三继电器J3的常开端与所述第一电容C1的第一端连接；所述第二电容C2的第二端与所述第二二极管D2的阴极及所述第四二极管D4的阳极连接；所述第一二极管D1的阴极与所述第二二极管D2的阳极及所述第三电容C3的第一端连接；所述第四二极管D4的阴极与所述第五电容C5及所述第一继电器J1的常闭端连接；所述第一电容C1的第二端与所述第三二极管D3的阳极及所述第二电感L2的第一端连接；所述第二电感L2的第二端与所述第四电容C4的第二端及所述第四继电器J4的常开端连接；所述负载R1的第一端与所述第一继电器J1的公共端连接；所述负载R1的第二端与所述第四继电器J4的公共端连接；所述直流输入电源Vin的第二端与所述开关管S的第三端、所述第三电容C3的第二端、所述第三二极管D3的阴极、所述第四电容C4的第一端及所述第四继电器J4的常开端连接。
3.根据权利要求1或2所述的变结构电压变换电路，其特征在于，通过改变所述的变结构电压变换电路中的结构选择器信号端的状态，即通过改变所述第一继电器J1、所述第二继电器J2、所述第三继电器J3和所述第四继电器J4的信号端的状态，从而使变结构电压变换电路的主电路单元的结构发生变化，主单元结构分别有结构1、结构2及结构3，所对应的继电器信号端状态及电压变换比G如下：
结构1，对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为低电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常闭端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462417140000041
结构2，对应所述第一继电器J1的信号端为低电平、所述第二继电器J2的信号端为低电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为高电平，即所述第一继电器J1的常闭端闭合、所述第二继电器J2的常闭端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常开端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462417140000042
结构3，对应所述第一继电器J1的信号端为高电平、所述第二继电器J2的信号端为高电平、所述第三继电器J3的信号端为高电平、所述第四继电器J4的信号端为低电平，即所述第一继电器J1的常开端闭合、所述第二继电器J2的常开端闭合、所述第三继电器J3的常开端闭合、所述第四继电器J4的常闭端闭合，此时电压变换比
Figure FDA0003462417140000043
4.根据权利要求1所述的变结构电压变换电路，其特征在于，所述主控制单元通过公式
Figure FDA0003462417140000051
计算实时负载值；占空比d通过公式
Figure FDA0003462417140000052
Figure FDA0003462417140000053
得到，其中第一控制系数K1、第二控制系数K2、第三控制系数K3、第四控制系数K4、第五控制系数K5及第六控制系数K6应根据实际工况给定。
5.根据权利要求1所述的变结构电压变换电路，其特征在于，所述结构选择单元包括第一比较器COMP1、第二比较器COMP2、第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR、异或门XOR、第一非门INV1，第二非门INV2，第三非门INV3，第四非门INV4，第二电阻R2，第三电阻R3，第四电阻R4，第五电阻R5，第六电阻R6，第七电阻R7，第八电阻R8，第九电阻R9，第十电阻R10，第十一电阻R11，第十二电阻R12，第十三电阻R13，第十四电阻R14、第十五电阻R15，第十六电阻R16，第十七电阻R17，第一三极管Q1，第二三极管Q2，第三三极管Q3，第四三极管Q4，第二参考电压Vref2及第三参考电压Vref3；
所述第一比较器COMP1的正输入端与所述主控制单元的第一输出端及所述第二比较器COMP2的正输入端连接；所述第一比较器COMP1的负输入端与所述第二参考电压Vref2连接；所述第二比较器COMP2的负输入端与所述第三参考电压Vref3连接；所述第一比较器COMP1的输出端与所述第一与门AND1的第一端输入端、所述第二与门AND2的第一端输入端、所述或门OR的第一端输入端及所述异或门XOR的第一输入端连接；所述第二比较器COMP2的输出端与所述第一与门AND1的第二端输入端、所述第二与门AND2的第二端输入端、所述或门OR的第二端输入端及所述异或门XOR的第二输入端连接；
所述第一与门AND1的输出端与所述第二电阻R2的第一端连接；所述第二电阻R2的第二端与所述第一三极管Q1的基极连接；所述第一三极管Q1的集电极与所述第三电阻R3的第一端及所述第四电阻R4的第一端连接；所述第一三极管Q1的发射极与所述第二三极管Q2的发射极及地连接；所述第三电阻R3的第二端与12V电压及所述第五电阻R5的第二端连接；所述第四电阻R4的第二端与所述第二三极管Q2的基极连接；所述第二三极管Q2的集电极与所述第五电阻R5的第一端及所述主电路单元中第一继电器J1的信号端连接；
所述第二与门AND2的输出端与所述第六电阻R6的第一端连接；所述第六电阻R6的第二端与所述第三三极管Q3的基极连接；所述第三三极管Q3的集电极与所述第七电阻R7的第一端及所述第八电阻R8的第一端连接；所述第三三极管Q3的发射极与所述第四三极管Q4的发射极及地连接；所述第七电阻R7的第二端与12V电压及所述第九电阻R9的第二端连接；所述第八电阻R8的第二端与所述第四三极管Q4的基极连接；所述第四三极管Q4的集电极与所述第九电阻R9的第一端及所述主电路单元中第二继电器J2的信号端连接；
所述或门OR的输出端与所述第十电阻R10的第一端连接；所述第十电阻R10的第二端与所述第五三极管Q5的基极连接；所述第五三极管Q5的集电极与所述第十一电阻R11的第一端及所述第十二电阻R12的第一端连接；所述第五三极管Q5的发射极与所述第六三极管Q6的发射极及地连接；所述第十一电阻R11的第二端与12V电压及所述第十三电阻R13的第二端连接；所述第十二电阻R12的第二端与所述第六三极管Q6的基极连接；所述第六三极管Q6的集电极与所述第十三电阻R13的第一端及所述主电路单元中第三继电器J3的信号端连接；
所述与或门XOR的输出端与所述第十四电阻R14的第一端连接；所述第十四电阻R14的第二端与所述第七三极管Q7的基极连接；所述第七三极管Q7的集电极与所述第十五电阻R15的第一端及所述第十六电阻R16的第一端连接；所述第七三极管Q7的发射极与所述第八三极管Q8的发射极及地连接；所述第十五电阻R15的第二端与12V电压及所述第十七电阻R17的第二端连接；所述第十六电阻R16的第二端与所述第八三极管Q8的基极连接；所述第八三极管Q8的集电极与所述第十七电阻R17的第一端及所述主电路单元中第四继电器J4的信号端连接。
6.根据权利要求1或5所述的变结构电压变换电路，其特征在于，所述结构选择单元通过所述第二参考电压Vref2和所述第三参考电压Vref3将电压划分为三个电压区间；通过所述第一比较器COMP1和所述第二比较器COMP2获得所述实时负载值Vp所在哪个电压区间，从而知道负载的变化剧烈程度及主电路单元应该工作在为哪种结构；再通过第一与门AND1、第二与门AND2、或门OR及异或门XOR运算出第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3及第四继电器J4信号端应该给定的信号；具体如下：
若实时负载值VP小于第二电压参考值Vref2，则第一比较器COMP1输出0，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较小，说明主电路单元应该工作在结构1，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出0，异或门XOR输出0；第一结构选择信号a1输出低电平，第二结构选择信号a2输出低电平，第三结构选择信号a3输出低电平，第四结构选择信号a4输出低电平；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为低电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元变换到结构1；
若实时负载值VP大于第二电压参考值Vref2且小于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出0；此时负载变化较大，说明主电路应该工作在高增益模式，第一与门AND1输出0，第二与门AND2输出0，或门OR输出1，异或门XOR输出1；第一结构选择信号a1输出低电平，第二结构选择信号a2输出低电平，第三结构选择信号a3输出高电平，第四结构选择信号a4输出高电平；第一继电器J1信号端为低电平，第二继电器J2信号端为低电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为高电平，主电路单元被切换到结构2；
若负实时负载VP大于第三电压参考值Vref3，则第一比较器COMP1输出1，第二比较器COMP2输出1；此时负载变化巨大，说明主电路单元应该工作在结构3，第一与门AND1输出1，第二与门AND2输出1，或门OR输出1，异或门XOR输出0；第一结构选择信号a1输出高电平，第二结构选择信号a2输出高电平，第三结构选择信号a3输出高电平，第四结构选择信号a4输出低电平；第一继电器J1信号端为高电平，第二继电器J2信号端为高电平，第三继电器J3信号端为高电平，第四继电器J4信号端为低电平，主电路单元被切换到结构3。
7.根据权利要求1及4所述的变结构电压变换电路，其特征在于，所述的第二电压参考值Vref2比第三电压参考值Vref3小，其具体值应根据实际工况设定或使用大量样本让神经网络模型离线训练出。
8.一种变结构电压变换设备，其特征在于，包括：
权利要求1-7任一项所述的变结构电压变换电路。
9.一种变结构电压变换控制方法，其特征在于，用于控制权利要求1-8任一项所述的变结构电压变换电路；所述变结构电压变换控制方法包括：
S1：电压检测单元和电流检测单元检测出负载电压Vo和负载电流Io；
S2：主控制单元根据负载电压Vo和负载电流Io计算出实时负载值Vp；
S3：结构选择单元根据实时负载值Vp、第二电压参考值Vref2及第三电压参考值Vref3判断出主电路单元应该变换的结构并且输出第一结构选择信号a1、第二结构选择信号a2、第三结构选择信号a3、第四结构选择信号a4；
S4：第一继电器J1、第二继电器J2、第三继电器J3、第四继电器J4动作，使主电路单元的结构发生变化；
S5：主控制单元根据负载电压Vo、负载电流Io和第一电压参考值Vref1输出占空比d；
S6：开关管驱动单元根据占空比d，输出PWM信号；
S7：开关管根据PWM信号开通关断，将输入直流电源的电压变换为第一电压参考值Vref1。
10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质是计算机可读的，且其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求9中S2、S3及S6所述的变结构电压变换控制方法的步骤。
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