CN117175932A - 光伏智能变结构电源插座 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光伏智能变结构电源插座，克服了传统变换器的电压增益受限，无法满足高电压增益，无法满足复杂工况需求的缺点，本申请的技术方案可以根据工况的不同，即根据输出端电压的不同灵活调整变换器的拓扑结构，从而改变电压增益使电路具有较高的灵活性，保证系统的正常运行；同时，采用输出电压跟踪方式对开关管的占空比进行调节，更好地实现电压增益的调控，使得光伏智能变结构电源的各个拓扑结构的输出电压更加稳定。

Description

光伏智能变结构电源插座

技术领域

本申请涉及变换器电压调控的技术领域，特别是涉及一种光伏智能变结构电源插座。

背景技术

在新能源光伏电力的应用中，光伏产生的电压较低，而负载端的电压需求通常较大，因此需要变换器来将光伏输出电压升高至较高的目标电压以满足负载需求。在传统电力电子变换器中，电压增益始终受限于变换器的拓扑结构，因此传统变换器无法满足光伏电力应用场景下的高电压增益需求；并且，在光伏电压输入或负载需求发生变化时，传统变换器亦难以满足复杂工况需求；另外，在光伏电力应用场景下通常加入最大功率点跟踪控制，控制方式较为复杂。

发明内容

基于此，本申请提供一种光伏智能变结构电源插座，可以根据工况的不同灵活调整变换器的拓扑结构，从而改变电压增益使电路具有较高的灵活性，保证系统的正常运行。

本申请提供一种光伏智能变结构电源插座，包括光伏直流电源、主电路模块、开关驱动模块、拓扑选择模块和直流输出端；所述主电路模块的输入端用于连接所述光伏直流电源，获得所述光伏直流电源输出的直流电源，所述主电路模块的输出端为所述直流输出端，所述直流输出端用于连接负载，为负载提供直流电源；所述主电路模块包括：第一继电器K₁、第二继电器K₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、开关管S₁、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅和第五电容C₅；其中，第三电感L₃和第四电感L₄组成耦合电感器；所述第一继电器K₁的第一端与所述光伏直流电源的正极连接，所述第一继电器K₁的第二端与所述第一电感L₁的第一端连接，所述第一继电器K₁的第三端与所述第二电感L₂的第一端、以及所述第一二极管D₁的阳极连接；所述第二电感L₂的第二端与所述第一电容C₁的第一端连接；所述第一电感L₁的第二端与所述第一二极管D₁的阴极、所述第一电容C₁的第二端、所述开关管S₁的第一端、所述第二继电器K₂的第一端连接；所述第二继电器K₂的第二端与所述第二二极管D₂的阳极连接，所述第二继电器K₂的第三端与所述第二电容C₂的第一端连接；所述第二电容C₂的第二端与所述第三电感L₃的第一端、所述第三二极管D₃的阳极、所述第三电容C₃的第一端连接；所述第三电感L₃的第二端与所述开关管S₁的第二端、所述光伏直流电源的负极、所述第五电容C₅的第一端、以及所述直流输出端的负极连接；所述第三二极管D₃的阴极与所述第四电感L₄的第一端、所述第四电容C₄的第一端连接；所述第三电容C₃的第二端与所述第四电感L₄的第二端、所述第四二极管D₄的阳极连接；所述第四二极管D₄的阴极与所述第四电容C₄的第二端、以及所述第五二极管D₅的阳极连接；所述第五二极管D₅的阴极与所述第二二极管D₂的阴极、所述第五电容C₅的第二端、所述直流输出端的正极连接；所述开关驱动模块的输入端与所述直流输出端连接获得输出电压信号，并根据所述输出电压信号生成开关驱动信号传输至所述开关管S₁的第三端，其中，所述开关管S₁的第三端为受控端；所述拓扑选择模块的输入端与所述直流输出端连接获得输出电压信号，所述拓扑选择模块的第一输出端与所述第一继电器K₁的第一端连接，所述拓扑选择模块的第二输出端与所述第二继电器K₂的第一端连接，所述拓扑选择模块根据所述输出电压信号生成拓扑选择信号，传输至所述第一继电器K₁的第一端以及所述第二继电器K₂的第一端；所述第一继电器K₁和所述第二继电器K₂接收并根据所述拓扑选择信号接通对应拓扑通路，所述开关管S₁接收并根据所述开关驱动信号适时导通，以使所述主电路模块选择对应的电压增益电路，获得与所述光伏直流电源以及负载适配的电压增益。

上述光伏智能变结构电源插座，克服了传统变换器的电压增益受限，无法满足高电压增益，无法满足复杂工况需求的缺点，本申请的技术方案可以根据工况的不同，即根据输出端电压的不同灵活调整变换器的拓扑结构，从而改变电压增益使电路具有较高的灵活性，保证系统的正常运行；同时，采用输出电压跟踪方式对开关管的占空比进行调节，更好地实现电压增益的调控，使得光伏智能变结构电源的各个拓扑结构的输出电压更加稳定。

进一步的，该光伏智能变结构电源插座含有超级电容和/或储能模块，将超级电容和储能模块作为备用电源，在光伏输入电能较低或电路发生故障时投入使用，保证系统的正常运行。

附图说明

图1为本申请一实施例中，光伏智能变结构电源插座的电路结构示意图。

图2为本申请一实施例中，光伏智能变结构电源插座的拓扑1的电路结构示意图。

图3为本申请一实施例中，光伏智能变结构电源插座的拓扑2的电路结构示意图。

图4为本申请一实施例中，光伏智能变结构电源插座的拓扑3的电路结构示意图。

图5为本申请一实施例中，备用电源和逆变电路的结构示意图。

附图标号：10、光伏直流电源；20、主电路模块；30、开关驱动模块；31、开关控制器；32、驱动电路；40、拓扑选择模块；401、第一非门通道；402、第二非门通道；403、第三非门通道； 50、逆变电路；60、负载；70、插座；80、备用电源；DC_out、直流输出端；U₁、电压处理器；A₁、第一比较器；A₂、第二比较器；K₁、第一继电器；K₂、第二继电器；S₁、开关管；L₁、第一电感；L₂、第二电感；L₃、第三电感；L₄、第四电感；D₁、第一二极管；D₂、第二二极管；D₃、第三二极管；D₄、第四二极管；D₅、第五二极管；C₁、第一电容；C₂、第二电容；C₃、第三电容；C₄、第四电容；C₅、第五电容。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。除非另作定义，本申请使用的技术术语或者科学术语应当为本申请所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本申请说明书以及权利要求书中使用的“第一”“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“多个”或者“若干”表示至少两个。除非另行指出，“前部”、“后部”、“下部”和/或“上部”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于一个位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面列举的元件或者物件及其等同，并不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而且可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

参阅图1，本申请一实施例提供的光伏智能变结构电源插座，应用于光伏发电系统中。光伏发电系统 （photovoltaic generation system），简称光伏（photovoltaic），是指利用光伏电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转换成电能的发电系统。

如图1所示，光伏智能变结构电源插座包括光伏直流电源10、主电路模块20、开关驱动模块30、拓扑选择模块40和直流输出端DC_out，其中，光伏直流电源10为光伏电池，用于将太阳辐射能转换成电能；主电路模块20能够变换拓扑结构获得对应的电压增益，将光伏直流电源10输入的低电压转换为与负载60匹配的高电压；开关驱动模块30用于驱动开关管适时导通对输出电压进行微调以加强输出电压稳定性，提高电路工作稳定性；拓扑选择模块40用于选择主电路模块20中的拓扑结构以改变电压增益。

本实施例中，主电路模块20的输入端用于连接光伏直流电源10，获得光伏直流电源10输出的直流电源，主电路模块20的输出端为直流输出端DC_out，直流输出端DC_out用于连接负载60，为负载60提供直流电源。通常情况下，光伏直流电源10的输入电压无法满足负载60的电压需求，因此，需要将光伏直流电源10的输入电压放大合适倍数后输出给负载60使用，以保证负载60的正常运行。

主电路模块20包括：第一继电器K₁、第二继电器K₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、开关管S₁、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和第五二极管D₅；其中，第三电感L₃和第四电感L₄组成一个耦合电感器，耦合电感器的匝数比为N。

第一继电器K₁的第一端与光伏直流电源10的正极连接，第一继电器K₁的第二端与第一电感L₁的第一端连接，第一继电器K₁的第三端与第二电感L₂的第一端、以及第一二极管D₁的阳极连接；第二电感L₂的第二端与第一电容C₁的第一端连接；第一电感L₁的第二端与第一二极管D₁的阴极、第一电容C₁的第二端、开关管S₁的第一端、第二继电器K₂的第一端连接；第二继电器K₂的第二端与第二二极管D₂的阳极连接，第二继电器K₂的第三端与第二电容C₂的第一端连接；第二电容C₂的第二端与第三电感L₃的第一端、第三二极管D₃的阳极、第三电容C₃的第一端连接；第三电感L₃的第二端与开关管S₁的第二端、光伏直流电源10的负极、第五电容C₅的第一端、以及直流输出端DC_out的负极连接；第三二极管D₃的阴极与第四电感L₄的第一端、第四电容C₄的第一端连接；第三电容C₃的第二端与第四电感L₄的第二端、第四二极管D₄的阳极连接；第四二极管D₄的阴极与第四电容C₄的第二端、以及第五二极管D₅的阳极连接；第五二极管D₅的阴极与第二二极管D₂的阴极、第五电容C₅的第二端、直流输出端DC_out的正极连接。其中，第五电容C₅并联于直流输出端DC_out的正极和负极之间，第五电容C₅需要根据光伏智能变结构电源的需求确定合适的额定电压以及额定波纹电流，具体容值不做限定。

其中，开关管S₁的第一端和第二端为信号端，第三端为受控端。开关驱动信号为PWM脉冲调制信号，具有预设占空比，因此可以控制开关管S₁的导通或关断。开关管S₁的第三端接收到开关驱动信号，且开关管S₁的第三端和第二端之间的电压满足开关管的导通条件时，开关管S₁导通，否则开关管S₁关断。

开关驱动模块30的输入端与直流输出端DC_out连接，获得直流输出端DC_out的输出电压信号V_o，并根据输出电压信号V_o生成开关驱动信号传输至开关管S₁的第三端；拓扑选择模块40的输入端与直流输出端DC_out连接，拓扑选择模块40的第一输出端与第一继电器K₁的第一端连接，拓扑选择模块40的第二输出端与第二继电器K₂的第一端连接，拓扑选择模块40获得直流输出端DC_out的输出电压信号V_o，并根据输出电压信号V_o生成拓扑选择信号传输至第一继电器K₁的第一端以及第二继电器K₂的第一端。第一继电器K₁和第二继电器K₂接收并根据拓扑选择信号接通对应拓扑通路，开关管S₁接收并根据开关驱动信号适时导通，以使主电路模块20选择对应的电压增益电路，获得与光伏直流电源10以及负载60适配的电压增益。其中，开关驱动信号为PWM脉冲调制信号，其占空比由开关驱动模块30的开关控制器31根据输出电压信号V_o确定并进行精细调节。

本实施例中，光伏智能变结构电源插座克服了传统变换器的电压增益受限，无法满足高电压增益，无法满足复杂工况需求等缺点，通过对直流输出端DC_out的电压进行采样，根据直流输出端DC_out的输出电压大小确定对应的拓扑选择信号，以对继电器的导通通道进行选择，从而可以选取不同的元件组合形成不同电压增益的拓扑结构，如拓扑结构1、拓扑结构2和拓扑结构3，拓扑结构1、拓扑结构2和拓扑结构3的电压增益不同。主电路模块20中的各个拓扑结构可根据需求适时变换，具有较高的灵活性，能够满足高电压增益需求以及光伏直流电源10和负载60发生变化时的复杂工况需求；同时，采用输出电压跟踪方式对开关管的占空比进行调节，使得各个拓扑结构可以更好的实现电压增益的精细调控，维持输出端电压的稳定性，进而使得光伏智能变结构电源具有更好的工作稳定性，保证系统的正常运行。

以下从光伏智能变结构电源的各个模块进行说明。

由于光伏直流电源10能量转换存在不稳定性，因此，光伏智能变结构电源插座的直流输出端DC_out的电压也可能出现波动，即输出电压信号V_o存在一定误差。为了消除输出电压信号V_o误差，则需要对主电路模块20中的拓扑结构的电压增益进行闭环调节。为了对主电路模块20中的各个拓扑结构的电压增益进行闭环调节，本实施例中的开关驱动模块30采集直流输出端DC_out的输出电压信号V_o，根据输出电压信号V_o以及第一电压参考信号V_ref1来调控开关管S₁的占空比，从而调节各个拓扑结构中的电压增益以增强输出端电压的稳定性。

具体的，如图1所示，开关驱动模块30包括电压处理器U₁、开关控制器31和驱动电路32；电压处理器U₁与直流输出端DC_out连接获得输出电压信号V_o，将输出电压信号V_o与第一电压参考信号V_ref1进行处理获得电压修正信号传输至开关控制器31，其中，第一电压参考信号V_ref1的具体数值根据实际负载60电压的需求确定，与负载60需求电压相匹配；开关控制器31根据电压修正信号生成开关驱动信号，并通过驱动电路32输出至开关管S₁以驱动其适时导通或关断，从而对当前拓扑结构中的电压增益的调节，使得直流输出端DC_out的输出电压较为稳定，进而保证整个光伏智能变结构电源的工作稳定性。其中，开关驱动信号为PWM脉冲调制信号，通过对其占空比的控制来控制开关管S₁的占空比，即控制开关管S₁在一个开关周期内的导通时间。

在一个可选的实施例中，拓扑选择模块40包括第一比较器A₁、第二比较器A₂和非门单元；其中，非门单元包括第一非门通道401、第二非门通道402和第三非门通道403,第一非门通道401包括两个并列的非门，具有两个非门通道；第二非门包括两个并列的非门，具有两个非门通道；第三非门通道403包括一直连导线，和一与直连导线并列的非门，具有一个非门通道。

第一比较器A₁的第一输入端与直流输出端DC_out连接，获得输出电压信号V_o，第一比较器A₁的第二输入端用于接收第二电压参考信号V_ref2，第一比较器A₁根据输出电压信号V_o和第二电压参考信号V_ref2生成第一比较信号传输至非门单元的第一非门通道401。第二比较器A₂的第一输入端与直流输出端DC_out连接，获得输出电压信号V_o，第二比较器A₂的第二输入端用于接收第三电压参考信号V_ref3，第二比较器A₂根据输出电压信号V_o和第三电压参考信号Vref3生成第二比较信号传输至非门单元的第二非门通道402。其中，第二电压参考信号V_ref2和第三电压参考信号V_ref3的具体数值根据实际工况中的负载60端的电压需求设定。

非门单元对第一比较信号以及第二比较信号进行非门运算获得拓扑选择信号，将拓扑选择信号输出至第一继电器K₁的第一端和第二继电器K₂的第一端，以驱动第一继电器K₁和第二继电器K₂的对应通道导通，以接通对应拓扑通路。

以下从几个拓扑结构进行说明。

在拓扑1中，如图2所示，直流输出端DC_out的输出电压信号V_o小于第二电压参考信号V_ref2，且第二电压参考信号V_ref2小于第三电压参考信号V_ref3，即V_o<V_ref2<V_ref3时，非门单元的第一非门通道401参与工作。由于V_o<V_ref2，第一比较器A1输出低电平信号至第一非门通道401中的第一非门，第一非门将低电平信号转换为高电平信号，并传输至第一继电器K₁的第一端，驱动第一继电器K₁的第一端和第一继电器K₁的第二端接通；又由于V_o <_Vref3，第二比较器A₂输出低电平信号至第一非门通道401中的第二非门，第二非门将低电平信号转换为高电平信号，并传输至第二继电器K₂的第一端，驱动第二继电器K₂的第一端和第二继电器K₂的第二端接通。此时，开关驱动模块30控制开关管S₁导通，使得主电路模块20选择拓扑1结构，拓扑1结构的电压增益为：，其中， />为拓扑1结构中输出电压和输入电压的比值，即为拓扑1结构的电压增益， />为开关管S₁的占空比，也为开关驱动信号的占空比。

在拓扑1结构中，第一继电器K₁的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，因此第一电感L₁接入拓扑1电路中，而第二电感L₂、第一二极管D₁、以及第一电容C₁未接入拓扑1电路中。第二继电器K₂的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，因此，第二二极管D₂接入拓扑1电路中，而第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃、第三电容C₃、第四电感L₄、第四电容C₄、第四二极管D₄、第五二极管D₅未接入拓扑1电路中。

在电路结构上，第一电感L₁的第一端与第一继电器K₁的第二端连接，第一电感L₁的第二端与第二继电器K₂的第一端连接，并与开关管S₁的第一端连接。第二继电器K₂的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，第二二极管D₂的阳极与第二继电器K₂的第二端接通，第二二极管D₂的阴极与直流输出端DC_out的正极连接，开关管S₁的第二端与光伏直流电源10的负极、直流输出端DC_out的负极连接。

在拓扑1结构中，第一电感L₁需要足够大以便于存储足够多的能量，具体数值不做限定；第五电容C₅需要足够大以便于直流输出端DC_out能够保持一个持续的输出电压，第五电容C₅的容值与光伏智能变结构电源的需求以及负载60端的需求相匹配，具体数值不做限定；另外，第二二极管D₂选用快恢复二极管，具体型号不做限定。

拓扑1结构的工作原理如下：拓扑1中，第一电感L₁、开关管S₁和第二二极管D₂组成升压电路，该升压电路工作时包括充电和放电两个阶段。在充电过程中，控制开关管S₁导通，光伏直流电源10向第一电感L₁充电，第一电感L₁储能，第一电感电流上升，第一电感L₁的电压极性左正右负，第二二极管D₂处于断态，此时由第五电容C₅为后端负载60提供能量维持负载60工作。在放电过程中，控制开关管S₁关断，第二二极管D₂导通，光伏直流电源10和第一电感L₁共同向第五电容C₅充电，并向后端负载60提供能量，此时，由于第五电容C₅充电之前已经有电容提供电压，因此第五电容C₅两端的电压升高，此时，输出电压已经高于光伏直流电源10提供的输入电压了，电压升高完毕，从而将输入电压升高为更高的输出电压。在一个开关周期内，第一电感L₁有可能全部大于零，也有可能全部等于零，分别称为连续工作模式和断续工作模式，在连续工作模式以及断续工作模式下，直流输出端DC_out都能够输出对应电压。

在输出电压或负载电压需求发生变化时，为了满足高电压增益的需求，本实施例还提供了可变换的拓扑2结构。

在拓扑2中，如图3所示，直流输出端DC_out的输出电压信号V_o大于第二电压参考信号V_ref2，且小于第三电压参考信号V_ref3时，即V_ref2<V_o<V_ref3时，非门单元的第二非门通道402参与工作。由于V_ref2<V_o，第一比较器A₁输出高电平信号至第一非门通道401中的第一非门，第一非门将高电平信号转换为低电平信号，并传输至第一继电器K₁的第一端，驱动第一继电器K₁的第一端和第一继电器K₁的第三端接通；又由于V_o<V_ref3，第二比较器A₂输出低电平信号至第一非门通道401中的第二非门，第二非门将低电平信号转换为高电平信号，并传输至第二继电器K₂的第一端，驱动第二继电器K₂的第一端和第二继电器K₂的第二端接通。此时，开关驱动模块30控制开关管S₁导通，使得主电路模块20选择拓扑2结构，拓扑2结构的电压增益为：，其中， />为拓扑2结构中输出电压和输入电压的比值，即为拓扑2结构的电压增益，/>为开关管S₁的占空比，即为开关驱动信号的占空比。

在拓扑2结构中，第一继电器K₁的第一端与其第二端断开，与其第三端接通，因此第一电感L₁未接入拓扑1电路中，而第二电感L₂、第一二极管D₁、以及第一电容C₁接入拓扑2电路中。第二继电器K₂的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，因此，第二二极管D₂接入拓扑2电路中，而第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃、第三电容C₃、第四电感L₄、第四电容C₄、第四二极管D₄、第五二极管D₅未接入拓扑2电路中。

在电路结构上，第一继电器K₁的第三端与第一二极管D₁的阳极、第二电感L₂的第一端连接，第二电感L₂的第二端与第一电容C₁的第一端连接，第一二极管D₁的阴极与第一电容C₁的第二端、开关管S₁的第一端、以及第二继电器K₂的第一端连接。第二继电器K₂的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，第二二极管D₂的阳极与第二继电器K₂的第二端接通，第二二极管D₂的阴极与直流输出端DC_out的正极连接，开关管S₁的第二端与光伏直流电源10的负极、直流输出端DC_out的负极连接。

拓扑2结构的工作原理 与拓扑1结构的工作原理相类似，在拓扑1结构的基础上，将第一电感L₁替换为开关电感单元，开关电感单元由第二电感L₂、第一二极管D₁和第一电容C₁组成。拓扑2中，开关电感单元、开关管S₁和第二二极管D₂组成升压电路，该升压电路工作时包括充电和放电两个阶段。在充电过程中，控制开关管S₁导通，光伏直流电源10向开关电感单元的第二电感L₂以及第一电容C₁充电，第二电感L₂储能，第一电容C₁储能，电感电流上升，第二电感L₂的电压极性左正右负，第二二极管D₂处于断态，此时由第五电容C₅为后端负载60提供能量维持负载60工作。在放电过程中，控制开关管S₁关断，第二二极管D₂导通，光伏直流电源10、第二电感L₂以及第一电容C₁共同向第五电容C₅充电，并向后端负载60提供能量，此时，由于第五电容C₅充电之前已经有电容提供电压，因此第五电容C₅两端的电压升高，此时，输出电压已经高于光伏直流电源10提供的输入电压了，电压升高完毕，从而将输入电压升高为更高的输出电压。相比于拓扑1结构，在拓扑2的放电阶段第二电感L₂以及第一电容C₁同时放电为第五电容C₅充电，并向后端负载60提供能量，因此能够获得电压增益比拓扑1结构的电压增压要大，从而实现了电压增压的改变。在一个开关周期内开关管S₁不可能时刻导通，因此，开关驱动信号的占空比小于1，使得/>大于1，对比拓扑1和拓扑2的两个电压增益公式可知，拓扑2的电压增益大于拓扑1的电压增益。

为了满足更高电压增益的需求，本实施例还提供了可变换的拓扑3结构，拓扑3结构通过设计阻抗网络来实现更高的电压增益，从而使得光伏智能变结构电源的适应性更强，更好的应用于高电压增益场景中。

在拓扑3中，如图4所示，第二电压参考信号V_ref2小于第三电压参考信号V_ref3，第三电压参考信号V_ref3小于直流输出端DC_out的输出电压信号V_o时，即V_ref2<V_ref3<V_o时，非门单元的第三非门通道403参与工作。由于V_ref2<V_o，第一比较器A₁输出高电平信号通过直连导线传输至第一继电器K₁的第一端，向第一继电器K₁的第一端输出高电平信号，驱动第一继电器K₁的第一端和第一继电器K₁的第二端接通；又由于V_ref3<V_o，第二比较器A₂输出高电平信号至第三非门通道403的非门，非门将高电平信号转换为低电平信号，并传输至第二继电器K₂的第一端，驱动第二继电器K₂的第一端与第二继电器K₂的第二端断开，第二继电器K₂的第一端与第二继电器K₂的第三端接通。此时，开关驱动模块30控制开关管导通，使得主电路模块20选择拓扑3结构，拓扑3结构的电压增益为：，其中， />为拓扑3结构中输出电压和输入电压的比值，即为拓扑3结构的电压增益，/>为耦合电感器的匝数比，/>为开关管S₁的占空比（开关驱动信号的占空比）。

在拓扑3结构中，第一继电器K₁的第一端与其第二端接通，与其第三端断开，因此第一电感L₁接入拓扑1电路中，而第二电感L₂、第一二极管D₁、以及第一电容C₁未接入拓扑1电路中。第二继电器K₂的第一端与其第二端断开，与其第三端接通，因此，第二二极管D₂未接入拓扑1电路中，而第二电容C₂、第三电感L₃、第三二极管D₃、第三电容C₃、第四电感L₄、第四电容C₄、第四二极管D₄、第五二极管D₅接入拓扑1电路中，并且第三电感L₃、第三二极管D₃、第三电容C₃、第四电感L₄、第四电容C₄、第四二极管D₄、第五二极管D₅形成阻抗网络，阻抗网络的设置大大增强了电压增益，更好的满足高电压增益需求。其中，第三电感L₃和第四电感L₄组成一个耦合电感器，耦合电感器的匝数比为N。

在电路结构上，第一电感L₁的第一端与第一继电器K₁的第二端连接，第一电感L₁的第二端与第二继电器K₂的第一端连接，并与开关管S₁的第一端连接。第二继电器K₂的第三端与第二电容C₂的第一端连接，第二电容C₂的第二端与第三电感L₃的第一端、第三二极管D₃的阳极、第三电容C₃的第一端连接；第三电感L₃的第二端与开关管S₁的第二端、光伏直流电源₁0的负极、以及直流输出端DC_out的负极连接；第三二极管D₃的阴极与第四电感L₄的第一端、第四电容C₄的第一端连接；第三电容C₃的第二端与第四电感L₄的第二端、第四二极管D₄的阳极连接；第四二极管D₄的阴极与第四电容C₄的第二端、以及第五二极管D₅的阳极连接；第五二极管D₅的阴极与直流输出端DC_out的正极连接。

拓扑3结构的工作原理如下：该升压电路工作时也包括充电和放电两个阶段。在充电状态时，开关管S₁导通，第三二极管D₃和第四二极管D₄导通，第五二极管D₅截止，光伏直流电源10为对第一电感L₁充电，第一电感L₁储能。第二电容C₂通过耦合电感器将能量传输至第三电容C₃和第四电容C₄，第三电容C₃和第四电容C₄储能。此时，由第五电容C₅向后端负载60提供能量。在放电状态时，开关管S₁关断，第五二极管D₅导通，第三二极管D₃和第四二极管D₄截止，此时，第一电感L₁释放能量，第三电容C₃和第四电容C₄同时向后端电路释放能量，为第五电容C₅充电，第五电容C₅储能。根据第一电感L₁、第三电感L₃和第四电感L₄的伏秒平衡原理和第二电容C₂、第三电容C₃、第四电容C₄和第五电容C₅的电荷平衡原理，可知输出电压和光伏直流电源10的输入电压之比为： 。

在以上实施例的基础上，结合图1-图4来看，本实施例中，开关管S₁为N沟道场效应管，开关管S₁的第一端为场效应管的漏极，开关管S₁的第二端为场效应管的源极，开关管S₁的第三端为场效应管的栅极。开关控制时给场效应管的第三端输送开关驱动信号，开关驱动信号为PWM脉冲调制信号，具有预设占空比，调节开关驱动信号的占空比可以调节拓扑结构的电压增益。当各个场效应管的栅极和源极之间的电压满足场效应管的导通条件时场效应管导通，否则场效应管关断，因此，开关驱动模块30可输出对应的PWM脉冲调制信号触发开关管S₁适时导通或关断，从而实现拓扑结构的电压增益的调控。在其他实施例中，开关管S₁还可以为其他的开关元件，连接方式做相应调整即可。

在以上实施例的基础上，可选的，如图1-4所示，为了提高光伏智能变结构电源插座的通用性，使其能够为交流负载60供电，还设置了逆变电路50。逆变电路50用于将直流输出端DC_out的输出电压信号V_o转换为交流电压信号，逆变电路50连接于直流输出端DC_out的后端，直流输出端DC_out通过逆变电路50连接交流负载60或交流插座70。

可选的，光伏智能变结构电源插座还包括插座70，直流输出端DC_out通过逆变电路50连接插座70，交流插座70用于外接其他交流负载60。

可选的，如图5所示，光伏智能变结构电源插座还包括备用电源80；备用电源80的正极与直流输出端DC_out的正极，备用电源80的负极与直流输出端DC_out的负极；且备用电源80可以通过逆变电路50连接交流负载60，为交流负载60提供交流电源。可选的，备用电源80包括超级电容，和/或储能模块。

上述光伏智能变结构电源插座，克服了传统变换器的电压增益受限，无法满足高电压增益，无法满足复杂工况需求等缺点，通过对直流输出端的电压进行采样，根据直流输出端的输出电压大小确定对应的拓扑选择信号，以对继电器的导通通道进行选择，从而可以选取不同的元件组合形成不同电压增益的拓扑结构，如拓扑结构1、拓扑结构2和拓扑结构3，拓扑结构1、拓扑结构2和拓扑结构3的电压增益不同，各个拓扑结构可根据需求适时变换，具有较宽的电压范围，具有较高的灵活性，能够满足高电压增益需求以及光伏直流电源和负载发生变化时的复杂工况需求；同时，传统技术中采用最大功率跟踪方式对占空比进行调节，本申请中采用输出电压跟踪方式代替最大功率点跟踪控制方式来对开关管的占空比进行调节，使得各个拓扑结构可以更好的实现电压增益的精细调控，维持输出端电压的稳定性，进而使得光伏智能变结构电源具有更好的工作稳定性，保证系统的正常运行；另外，该光伏智能变结构电源插座含有备用电源，在电路正常使用时光伏直流电源可以为备用电源充电，在光伏输入电能较低或电路发生故障时，备用电源可以投入使用以保证系统的正常运行，具有较高的可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光伏智能变结构电源插座，其特征在于，包括光伏直流电源、主电路模块、开关驱动模块、拓扑选择模块和直流输出端；

所述主电路模块的输入端用于连接所述光伏直流电源，获得所述光伏直流电源输出的直流电源，所述主电路模块的输出端为所述直流输出端，所述直流输出端用于连接负载，为负载提供直流电源；

所述主电路模块包括：第一继电器K₁、第二继电器K₂、第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、开关管S₁、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和第五二极管D₅；其中，第三电感L₃和第四电感L₄组成耦合电感器；

所述第一继电器K₁的第一端与所述光伏直流电源的正极连接，所述第一继电器K₁的第二端与所述第一电感L₁的第一端连接，所述第一继电器K₁的第三端与所述第二电感L₂的第一端、以及所述第一二极管D₁的阳极连接；所述第二电感L₂的第二端与所述第一电容C₁的第一端连接；所述第一电感L₁的第二端与所述第一二极管D₁的阴极、所述第一电容C₁的第二端、所述开关管S₁的第一端、所述第二继电器K₂的第一端连接；所述第二继电器K₂的第二端与所述第二二极管D₂的阳极连接，所述第二继电器K₂的第三端与所述第二电容C₂的第一端连接；所述第二电容C₂的第二端与所述第三电感L₃的第一端、所述第三二极管D₃的阳极、所述第三电容C₃的第一端连接；所述第三电感L₃的第二端与所述开关管S₁的第二端、所述光伏直流电源的负极、所述第五电容C₅的第一端、以及所述直流输出端的负极连接；所述第三二极管D₃的阴极与所述第四电感L₄的第一端、所述第四电容C₄的第一端连接；所述第三电容C₃的第二端与所述第四电感L₄的第二端、所述第四二极管D₄的阳极连接；所述第四二极管D₄的阴极与所述第四电容C₄的第二端、以及所述第五二极管D₅的阳极连接；所述第五二极管D₅的阴极与所述第二二极管D₂的阴极、所述第五电容C₅的第二端、所述直流输出端的正极连接；

所述开关驱动模块的输入端与所述直流输出端连接获得输出电压信号，并根据所述输出电压信号生成开关驱动信号传输至所述开关管S₁的第三端，其中，所述开关管S₁的第三端为受控端；

所述拓扑选择模块的输入端与所述直流输出端连接获得输出电压信号，所述拓扑选择模块的第一输出端与所述第一继电器K₁的第一端连接，所述拓扑选择模块的第二输出端与所述第二继电器K₂的第一端连接，所述拓扑选择模块根据所述输出电压信号生成拓扑选择信号，传输至所述第一继电器K₁的第一端以及所述第二继电器K₂的第一端；

所述第一继电器K₁和所述第二继电器K₂接收并根据所述拓扑选择信号接通对应拓扑通路，所述开关管S₁接收并根据所述开关驱动信号适时导通，以使所述主电路模块选择对应的电压增益电路，获得与所述光伏直流电源以及负载适配的电压增益。

2.根据权利要求1所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述开关驱动模块包括电压处理器U₁、开关控制器和驱动电路；所述电压处理器U₁与所述直流输出端连接获得输出电压信号，将所述输出电压信号与第一电压参考信号进行处理获得电压修正信号传输至所述开关控制器；所述开关控制器根据所述电压修正信号生成开关驱动信号，通过所述驱动电路输出至所述开关管S₁以驱动其导通或关断。

3.根据权利要求1所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述拓扑选择模块包括第一比较器A₁、第二比较器A₂和非门单元；

所述第一比较器A₁的第一输入端与所述直流输出端连接获得所述输出电压信号，所述第一比较器A₁的第二输入端用于接收第二电压参考信号，所述第一比较器A₁根据所述输出电压信号和所述第二电压参考信号生成第一比较信号传输至所述非门单元；

所述第二比较器A₂的第一输入端与所述直流输出端连接获得所述输出电压信号，所述第二比较器A₂的第二输入端用于接收第三电压参考信号，所述第二比较器A₂根据所述输出电压信号和所述第三电压参考信号生成第二比较信号传输至所述非门单元；

所述非门单元对所述第一比较信号以及所述第二比较信号进行非门运算获得所述拓扑选择信号，将所述拓扑选择信号输出至所述第一继电器K₁和所述第二继电器K₂，以驱动所述第一继电器K₁和所述第二继电器K₂接通对应拓扑通路。

4.根据权利要求3所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述直流输出端的输出电压信号小于所述第二电压参考信号，且所述第二电压参考信号小于所述第三电压参考信号时，

所述非门单元向所述第一继电器K₁的第一端输出高电平信号，驱动所述第一继电器K₁的第一端和所述第一继电器K₁的第二端接通；

所述非门单元向所述第二继电器K₂的第一端输出高电平信号，驱动所述第二继电器K₂的第一端和所述第二继电器K₂的第二端接通；

所述开关驱动模块控制所述开关管S₁导通，使得所述主电路模块选择拓扑1结构，拓扑1结构的电压增益为：

，

其中，为开关管S₁的占空比。

5.根据权利要求3所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述直流输出端的输出电压信号大于所述第二电压参考信号，且小于所述第三电压参考信号时，

所述非门单元向所述第一继电器K₁的第一端输出低电平信号，驱动所述第一继电器K₁的第一端和所述第一继电器K₁的第三端接通；

所述非门单元向所述第二继电器K₂的第一端输出高电平信号，驱动所述第二继电器K₂的第一端和所述第二继电器K₂的第二端接通；

所述开关驱动模块控制所述开关管S₁导通，使得所述主电路模块选择拓扑2结构，拓扑2结构的电压增益为：

，

其中，为开关管S₁的占空比。

6.根据权利要求3所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述第二电压参考信号小于所述第三电压参考信号，所述第三电压参考信号小于所述直流输出端的输出电压信号时，

所述非门单元向所述第一继电器K₁的第一端输出高电平信号，驱动所述第一继电器K₁的第一端和所述第一继电器K₁的第二端接通；

所述非门单元向所述第二继电器K₂的第一端输出低电平信号，驱动所述第二继电器K₂的第一端和所述第二继电器K₂的第三端接通；

所述开关驱动模块控制所述开关管S₁导通，使得所述主电路模块选择拓扑3结构，拓扑3结构的电压增益为：

，

其中，为耦合电感器的匝数比，/>为开关管S₁的占空比。

7.根据权利要求1所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，还包括逆变电路，所述直流输出端通过所述逆变电路连接负载，所述逆变电路用于将所述直流输出端输出的直流电源转换为交流电源。

8.根据权利要求7所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，还包括插座，所述直流输出端通过所述逆变电路连接所述插座。

9.根据权利要求1所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，所述开关管S₁为N沟道场效应管。

10.根据权利要求1-9任意一项所述的光伏智能变结构电源插座，其特征在于，还包括备用电源；

所述备用电源的正极与所述直流输出端的正极，以及负载的正极连接，所述备用电源的负极与所述直流输出端的负极，以及负载的负极连接；

所述备用电源包括超级电容，和/或储能模块。