CN115347788A - 一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路 - Google Patents

一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路，属于电力电子技术领域，输入端包括可模拟光伏电池的直流功率源Vpv，以及具有充放电功能的蓄电池端口Vb。输出端口为电阻负载R。本发明旨在通过控制开关管的导通与关闭，使变换器可以在单输入双输出模式、双输入单输出模式以及单输入单输出模式之间进行切换。一方面模拟光伏电池的直流功率源Vpv和蓄电池Vb同时向电阻负载R提供功率；一方面模拟光伏电池的直流功率源Vpv向蓄电池Vb和电阻负载R提供功率；一方面蓄电池Vb单独向电阻负载R提供功率。可实现光伏电池电压和蓄电池电压之间的升降压变换，扩大了输入电压范围，具有灵活性。

Description

一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路
技术领域
本发明属于利用电力电子技术领域，具体涉及一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路。
背景技术
随着近年来污染的加重、资源的枯竭以及国家的大力提倡，如何利用太阳能、风能以及潮汐能等新能源创造稳定可靠的电能成为了研究的热点。新能源因为具有污染小、成本低等优点，目前被广泛运用于新能源汽车、太阳能热水器和LED灯等领域。然而新能源受到了很多如天气、地理位置等客观因素的影响，因此供电缺乏可靠性和不间断性，因此必须配备相应的储能单元，在输入源能量充足时，对储能单元和负载提供功率，而在能量不充足时由储能单元和输入源来共同为负载进行供电，继而保证新能源供电系统中功率的平衡，达到系统的可靠性。
但是传统的新能源供电系统由多个独立的单向直流转换器组成，来进行输入端、储能单元和负载端的连接，这往往会导致供电系统体积过大、成本高、系统复杂性以及可靠性比较差。为了简化新能源供电系统，减小系统所需成本，提高系统可靠性，三端口变换器被提出并广泛引起了内外学者的研究兴趣，并提出了各种三端口拓扑及控制方法。三端口变换器具有稳定、体积小、成本低以及功率走向可控的优点，是连接新能源输入源、储能单元和负载的理想选择。三端口变换器分为隔离型和非隔离型两大拓扑结构，其中隔离型三端口变换器在端口间存在电气隔离，更多用于车辆电源管理，替代了辅助电源软开关。但是隔离型往往体积很大、器件损耗高，效率受限。而相对于隔离型三端口变换器，非隔离型三端口变换器因无需使用变压器，因此具有体积小、功率密度高、损耗小和效率高的优点。但是目前的许多非隔离三端口对于输入端和蓄电池之间的电压关系有一定的限制，即输入端电压范围不灵活，例如：刘俊峰,胡仁俊,曾君 具备高增益的非隔离三端口变换器中所提到的三端口变换器只能用于光伏电池电压Vpv大于蓄电池电压Vb的情况；王辉,陈耀,张文博一种三端口高增益DC/DC变换器.电力科学与工程,2018,34(08):50-55.中所提出的三端口变换器只能用于光伏电池电压Vpv小于蓄电池电压Vb的情况，光伏电池电压和蓄电池电压之间的关系单一，使用范围受限，运用中并不灵活。
因此，现阶段需设计一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路，来解决以上问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种非隔离三端口变换器及其控制方法、控制电路，用于解决上述现有技术中存在的技术问题，扩大光伏电池电压范围，并相应研究其控制方法。该变换器采用一个H桥四管buck-boost升降压电路和一个DC-DC升压电路组合，能够实现光伏电池和蓄电池之间的升降压同时双向变换，并可以检测模拟光照情况，自动调节工作模式，实现输入端、储能单元和负载之间的能量流动。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种非隔离三端口变换器，包括直流功率源Vpv和可充放电的储能单元Vb；Vpv的正极连接到开关管S1的源极和电容C1的正极，开关管S1的漏极和开关管S2的源极和电感L1的输入端相连接，L1的输出端连接到开关管S3的漏极和开关管S4的源极，开关管S3的源极分别连接到电容C2正极和储能单元Vb的正极；可充放电的储能单元Vb的正极与电感L2的输入端相连接，L2的输出端连接到开关管S5的源极和开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接到电容C3正极和负载的正输出端，负载的负输出端分别与开关管S2、S4、S5的源极和电容C1、C2、C3的负端连接到一起。
一种非隔离三端口变换器控制方法，用于控制如上述的一种非隔离三端口变换器，其中，
在每个周期的开始，通过电压检测电路VS检测直流功率源Vpv和可充放电的储能单元Vb的电压，将检测到的模拟量Vpv和Vb输入到第一运算器ALU1中进行运算，得到的运算结果V1经过误差放大器EA产生电压控制信号Vc，Vc与通过电流检测电路IS检测到的电池充放电电流I1经过第一比较器CMP1生成信号R1；而R1经过第一校准器CU1校准后的输出作为调制波，与作为载波的三角波进入第二比较器CMP2产生用于控制开断开关管S3和S4的驱动信号；
与此同时，检测输出电压Vo的大小并与预设输出电压基准值Vh作为输入，进入到第三比较器CMP3中进行比较，将结果V2输入到第二校准器CU2，经由第二校准器校准后的输出作为调制波与作为载波的三角波进入第四比较器CMP4产生用于控制开断开关管S5和S6的驱动信号。
进一步的，用固定占空比脉冲信号C与作为载波的三角波进入第五比较器CMP5产生用于控制开断开关管S1和S2的驱动信号，控制其开断。
一种非隔离三端口变换器控制电路，包括电压检测电路VS、电流检测电路IS、误差放大器EA、非逻辑门NOT、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、第五比较器CMP5与第一校准器CU1、第二校准器CU2、第一运算器ALU1、驱动电路DR以及作为载波的三角波；
其中，电压检测电路VS的输出端与第一运算器ALU1的输入端、第三比较器CMP3的输入端相连；第一运算器ALU1的输出端与误差放大器EA的输入端相连；第一比较器CMP1的输入端分别与电流检测电路IS的输出端、误差放大器EA的输出端相连；第三比较器CMP3的输入端还连接预设基准电压Vh；第一比较器CMP1与第一校准器CU1依次相连；第三比较器CMP3与第二校准器CU2依次相连；第一校准器CU1的输出端连接到第二比较器CMP2的输入端，第二校准器CU2的输出端连接到第四比较器CMP4的输入端；作为载波的三角波分别连接到第二比较器CMP2的输入端、第四比较器CMP4的输入端和第五比较器CMP5的输入端；第五比较器CMP5的输入端还连接固定占空比的脉冲信号C；驱动电路DR的输入端分别连接第二比较器CMP2的输出端、第四比较器CMP4的输出端和第五比较器CMP5的输出端；最后驱动电路DR的输出端一方面直接连接到主回路TD，另一方面经过非逻辑门NOT连接到主回路TD。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：
本方案其中一个有益效果在于，1.本拓扑以一个H桥升降压电路和一个BOOST电路为基础进行变换后得到，与现有一些变换器相比，电路拓扑简单，工作方式清晰易懂、便于分析。本拓扑开关管之间的关系明确，只需三对互补的驱动信号便可完成对电路工作模式的控制，可适应多种控制策略，便于控制。2.可实现光伏电池电压和蓄电池电压之间的升降压变换，扩大了输入电压范围，具有灵活性，克服了现有一些三端口拓扑输入直流源和储能单元之间关系单一，输入电压范围因此受限的问题。
附图说明
图1是本发明可实现升降压双向变换的非隔离三端口变换器的原理图。
图2是可实现升降压双向变换的非隔离三端口变换器的一种控制方法的框架图。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
如图1所示，提出一种非隔离三端口变换器。原理图如图1所示，该变换器具有光伏电池Vpv（即直流功率源）、蓄电池Vb（即储能单元）和电阻负载R三个端口，由一个H桥四管buck-boost升降压电路和一个DC-DC升压电路构成，其中H桥升降压电路用于连接光伏电池Vpv和蓄电池Vb，而DC-DC升压电路则用于光伏电池Vpv连接蓄电池Vb和电阻负载。具体电路组成是：可实现升降压同时双向变换的非隔离三端口变换器包括直流功率源Vpv，Vpv的正极连接到开关管S1的源极和电容C1的正极，开关管S1的漏极和开关管S2的源极和电感L1的输入端相连接，L1的输出端连接到开关管S3的漏极和开关管S4的源极，开关管S3的源极分别连接到电容C2正极和储能单元Vb的正极，以上形成H桥升降压电路的基本结构。接下来，储能单元Vb的正极与电感L2的输入端相连接，L2的输出端连接到开关管S5的源极和开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接到电容C3正极和负载的正输出端。除此之外，负载的负输出端分别与开关管S2、S4、S5的源极和电容C1、C2、C3连接到一起，完成电路的构成。
提出一种基于上述所提出的非隔离三端口变换器的控制方法，包括三种工作模式，具体分析如下：
(1)光伏电池同时向蓄电池充电和负载提供功率模式(SIDO模式)：
开关管S2、开关管S4和开关管S6在此模式下的初始状态为关断状态。当开关管S1、S3导通，S6关断时，光伏电池通过开关管S1、S3和电感L1向蓄电池和电感L2充电，此时电感L1和L2的电流均处于上升状态。接下来，开关管S6继续保持关断，而当开关管S1关断，S3继续保持导通时，电感L1通过开关管S2和开关管S3向蓄电池和电感L2充电，此时电感L1的电流下降，电感L2的电流继续保持上升。下一刻，开关管S1继续保持关断状态，而开关管S3和开关管S6处于导通状态。此时，电感L1继续向蓄电池和电感L2充电，而电感L2中的能量随着开关管S6的导通而与电阻负载形成回路，并给电阻负载提供功率。此时电感L1和L2的电流持续下降，完成将光伏电池的能量传输给蓄电池和负载的功能，一个周期结束。随着开关管S1和S3导通，开关管S6关断时，下一个周期开始。
在单输入双输出模式下，开关管S3保持直通，而通过控制开关管S1和开关管S6的开断，即通过调节相应控制PWM的占空比就可以达到调节电压和控制功率走向的目的。根据电压伏秒定律，可知一个电感两端电压的平均值为0，所以可以得到电压关系：
Figure 674664DEST_PATH_IMAGE001
；
其中Vpv代表直流功率源电压，Vb代表蓄电池电压，Vo代表输出电压；d1、d6分别代表了开关管S1和S6导通的占空比，*表示乘号。
（2）光伏电池和蓄电池同时向电阻负载提供功率模式(DISO模式)：
开关管S2、开关管S3和开关管S6在此模式的初始状态为关断状态。当开关管S1、S4和开关管S5导通，光伏电池此时通过开关管S1和开关管S4向电感L1充电，蓄电池通过开关管S5向电感L2充电，此时电感L1和L2的电流处于上升状态。接下来，开关管S3导通，而与其处于互补状态的开关管S4关断，此时光伏电池通过开关管S1和开关管S3向电感L1和电感L2充电，而蓄电池继续保持上个阶段的状态。因为同时向电感L1和电感L2提供功率，因此电感L1电流虽继续保持上升状态，但是速度会变缓。此时电感L1和电感L2的电流继续保持上升状态。接下来，开关管S1关断，开关管S2导通，而开关管S3和开关管S5继续保持导通状态。此时电感L1通过开关管S2和开关管S3向电阻负载提供功率，蓄电池通过开关管S5向电阻负载提供功率，因此电感L1的电流会逐渐下降，电感L2的电流因为蓄电池仍然在充电，因此继续保持上升，这个状态下，电阻负载已经得到了功率的提供。下一刻，开关管S5关断，开关管S6导通，此时电感L1工作状态不变，而蓄电池通过电感L2和开关管S6向电阻负载提供功率，此时功率输出达到最大状态，电感L2的电流开始下降，完成光伏电池和蓄电池同时向电阻负载提供功率，一个周期结束。
根据电感伏秒定律，在一个开关周期内，每个电感两端电压平均值为0，可知电压关系：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，d1、d3和d6分别为开关管S1、开关管S3和开关管S6的占空比，在这种工作模式下，通过控制S1、S3、S6的开关占空比即可控制电压和功率的调节。值得注意的是，光伏电池电压和蓄电池之间的电压关系完全由开关管S1和开关管S3的占空比的比值决定，电压等级选择灵活，应用范围更广。
(3)蓄电池单独向负载提供功率模式(SISO模式)：
当开关管S1始终处于关断状态时，光伏电池向电感L1充电的回路被切断，亦或者开关管S3始终处于关断状态时，光伏电池的能量没有通路流向蓄电池和电阻负载，此时蓄电池单独向电阻负载提供功率。由于蓄电池通过一个DC-DC升压电路与负载连接，电气关系简单，因此在此不再赘述。
综上所述，本发明既可以用于光伏电池电压Vpv小于蓄电池电压Vb的情况，也适用于光伏电池电压Vpv大于蓄电池电压Vb的情况，做到了双向升降压功能，提高了输入电压范围，使得该变换器具有很好的稳定性，又因为结构简单，控制方便，因此实用性也比较高。
本发明处于光伏电池同时向蓄电池和电阻负载提供功率的等效电路工作模式时。此时工作于光伏电池同时向蓄电池和电阻负载提供功率模式。该模式下的第一工作阶段，此时能量由光伏电池流向电感L1、电感L2和蓄电池。该模式下的第二工作阶段，此时能量由电感L1流向电感L2和蓄电池。该模式下的第三工作阶段，能量由电感L1流向蓄电池和电阻负载。开关管S1和S6在此工作模式下为控制器件，d1和d6分别为开关管S1和开关管S6的占空比，根据电压伏秒定律可知，此模式下电压关系式为：
Figure 795066DEST_PATH_IMAGE003
；
此模式下，模态I(t0~t1)：开关管S1、S3导通，开关管S6关断，IL1线性上升，IL2线性上升。模态II(t1~t2)：开关管S3导通，S1、S6关断，IL1线性下降，IL2线性上升。模态III(t2~t3)： S1关断，S3、S6导通，IL1线性下降，IL2线性下降。UG1、UG3、UG6分别代表开关管S1、S3和S6的导通状态。
本发明处于光伏电池和蓄电池同时向电阻负载提供功率的等效电路工作时。该模式下的第一工作阶段，此时能量由光伏电池流向电感L1，蓄电池也向电感L2进行充电。该模式下的第二工作阶段，此时能量由光伏电池流向电感L1和电感L2，蓄电池继续向电感L2进行充电。该模式下的第三工作阶段，能量由电感L1和蓄电池共同流向电阻负载。该模式下的第四工作阶段，能量由电感L1和蓄电池共同流向电阻负载。开关管S1、S3和S6在此工作模式下为控制器件，根据电压伏秒定律可知，此模式下电压关系式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
。在此模式下，可知该变换器实现了光伏电池和蓄电池之间电压关系既可以满足升压，也可以满足降压。
此模式下，模态I(t0~t1)：S1导通，S3、S6关断，IL1线性上升，IL2线性上升。模态II(t1~t2)：S1、S3导通，S6关断，IL1线性上升，IL2线性上升，模态III(t2~t3)：S3导通，S1、S6关断，IL1线性下降，IL2线性上升，模态IV(t3~t4)：S3、S6导通，S1关断，IL1线性下降，IL2线性下降。UG1、UG3、UG6分别代表开关管S1、S3和S6的导通状态。
图2为针对该变换器提出的一种控制策略。在每个周期的开始，通过电压检测电路VS检测直流功率源Vpv和可充放电的储能单元Vb的电压，将检测到的模拟量Vpv和Vb输入到第一运算器ALU1中进行运算，得到的运算结果V1经过误差放大器EA产生电压控制信号Vc，Vc与通过电流检测电路IS检测到的电池充放电电流I1经过第一比较器CMP1生成信号R1；而R1经过第一校准器CU1校准后的输出作为调制波，与作为载波的三角波进入第二比较器CMP2产生用于控制开断开关管S3和S4的驱动信号。与此同时，检测输出电压Vo的大小并与预设输出电压基准值Vh作为输入，进入到第三比较器CMP3中进行比较，将结果V2输入到第二校准器CU2，经由第二校准器校准后的输出作为调制波与作为载波的三角波进入第四比较器CMP4产生用于控制开断开关管S5和S6的驱动信号。为达到控制简便，运算简单的目的，在此控制方法中，用固定占空比脉冲信号C与作为载波的三角波进入第五比较器CMP5产生用于控制开断开关管S1和S2的驱动信号，控制其开断。
下面将进行该控制策略下两种工作模式：SIDO(单输入双输出模式)和DISO(双输入单输出模式)下自动切换功能的实现。设工作在临界SISO模式下的Vm的大小为Umc，Umc即Vmc；切换点电压为Um。设主功率电源输入功率为Pin，输入电阻为Rin，输入电压为Uin，Uin即Vin；输入电流为Iin；则有
Figure 246908DEST_PATH_IMAGE005
，设电压环的给定值为UO，UO即VO；负载电阻为Ro，负载功率为Po，在工作模式的切换点，认为蓄电池输出功率为0，则根据功率平衡关系，则有
Figure DEST_PATH_IMAGE006
，也即
Figure 173275DEST_PATH_IMAGE007
。当Uin＜Umc，电路工作在DISO模式，主电源能提供的最大功率小于负载功率，此时蓄电池与主电源共同提供功率，蓄电池处于放电状态。当Uin>Umc，电路工作在SIDO模式，主电源能提供的最大功率大于负载功率，主电源为负载和蓄电池提供功率，蓄电池处于充电状态。
为验证所提出方案的正确性，使用simulink进行仿真，仿真参数：Um=80V，Uo=35V，Rin=Ro=10Ω，L1=0.2mH，L2=0.2mH，d1=0.4，Ubmax=16.5V，C1=C2=C3=2000uF，开关频率为10KHz。
根据上述理论分析和对应仿真可知，本发明所提出的可实现升降压双向变换的非隔离三端口变换器具有结构简单、成本低廉，控制方便且输入电压范围广的优点，实用性强，可以在宽范围输入电压等级下进行正常工作。所提出的控制电路具有逻辑清晰的特点，且使用了内外环双重控制，提高了所提出的变换器的稳定性和高效性。因此，本发明相比于现有部分技术更具有优势。
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 (4)

1.一种非隔离三端口变换器，其特征在于，包括直流功率源Vpv和可充放电的储能单元Vb；Vpv的正极连接到开关管S1的源极和电容C1的正极，开关管S1的漏极和开关管S2的源极和电感L1的输入端相连接，L1的输出端连接到开关管S3的漏极和开关管S4的源极，开关管S3的源极分别连接到电容C2正极和储能单元Vb的正极；可充放电的储能单元Vb的正极与电感L2的输入端相连接，L2的输出端连接到开关管S5的源极和开关管S6的漏极，开关管S6的源极连接到电容C3正极和负载的正输出端，负载的负输出端分别与开关管S2、S4、S5的源极和电容C1、C2、C3的负端连接到一起。
2.一种非隔离三端口变换器控制方法，其特征在于，用于控制如权利要求1所述的一种非隔离三端口变换器，其中，
在每个周期的开始，通过电压检测电路VS检测直流功率源Vpv和可充放电的储能单元Vb的电压，将检测到的模拟量Vin和Vb输入到第一运算器ALU1中进行运算，得到的运算结果V1经过误差放大器EA产生电压控制信号Vc，Vc与通过电流检测电路IS检测到的电池充放电电流I1经过第一比较器CMP1生成信号R1；而R1经过第一校准器CU1校准后的输出作为调制波，与作为载波的三角波进入第二比较器CMP2产生用于控制开断开关管S3和S4的驱动信号；
与此同时，检测输出电压Vo的大小并与预设输出电压基准值Vh作为输入，进入到第三比较器CMP3中进行比较，将结果V2输入到第二校准器CU2，经由第二校准器校准后的输出作为调制波与作为载波的三角波进入第四比较器CMP4产生用于控制开断开关管S5和S6的驱动信号。
3.根据权利要求2所述的一种非隔离三端口变换器控制方法，其特征在于，用固定占空比脉冲信号C与作为载波的三角波进入第五比较器CMP5产生用于控制开断开关管S1和S2的驱动信号，控制其开断。
4.一种非隔离三端口变换器控制电路，其特征在于，包括电压检测电路VS、电流检测电路IS、误差放大器EA、非逻辑门NOT、第一比较器CMP1、第二比较器CMP2、第三比较器CMP3、第四比较器CMP4、第五比较器CMP5与第一校准器CU1、第二校准器CU2、第一运算器ALU1、驱动电路DR以及作为载波的三角波；
其中，电压检测电路VS的输出端与第一运算器ALU1的输入端、第三比较器CMP3的输入端相连；第一运算器ALU1的输出端与误差放大器EA的输入端相连；第一比较器CMP1的输入端分别与电流检测电路IS的输出端、误差放大器EA的输出端相连；第三比较器CMP3的输入端还连接预设基准电压Vh；第一比较器CMP1与第一校准器CU1依次相连；第三比较器CMP3与第二校准器CU2依次相连；第一校准器CU1的输出端连接到第二比较器CMP2的输入端，第二校准器CU2的输出端连接到第四比较器CMP4的输入端；作为载波的三角波分别连接到第二比较器CMP2的输入端、第四比较器CMP4的输入端和第五比较器CMP5的输入端；第五比较器CMP5的输入端还连接固定占空比的脉冲信号C；驱动电路DR的输入端分别连接第二比较器CMP2的输出端、第四比较器CMP4的输出端和第五比较器CMP5的输出端；最后驱动电路DR的输出端一方面直接连接到主回路TD，另一方面经过非逻辑门NOT连接到主回路TD。
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