CN209767386U - 具有双极性输出的四端口变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有双极性输出的四端口变换器。输入端口包括直流功率源V_in1和具有充电和放电功能的直流功率源V_in2，输出端口包括负载R₁和负载R₂。通过控制开关管，使变换器运行于双输入双输出模式或单输入三输出模式。在双输入双输出模式，V_in1和V_in2同时为负载R₁和负载R₂提供能量；在单输入三输出模式，V_in1为负载R₁和负载R₂提供能量，V_in2吸收多余的能量。本实用新型的有益效果是：结构简单、成本低廉、功率密度高及系统效率高。能够输出对称且共地的双极性电压，还能够连接三个电压等级的负载，应用范围广，可靠性高。变换器的输入和输出端口间电压关系灵活，既可升压又可降压。

Description

具有双极性输出的四端口变换器

技术领域

本实用新型涉及电力电子技术领域，特别是一种具有双极性输出的四端口变换器。

背景技术

近年来，随着环境污染和能源危机问题的加剧，利用太阳能、氢能、风能等新能源进行发电成为研究的热点。新能源发电系统按照是否与电网连接分为并网运行和独立运行两种运行方式，独立运行的新能源发电系统因为其结构简单，供电质量高等优点被广泛应用于偏远山区、海岛、工业园区等无电网地区的供电，除此之外，独立运行的新能源发电系统也被广泛应用于新能源汽车、独立LED照明系统的供电中。但是，由于新能源发电系统的输出特性往往与环境因素密切相关，不同环境条件下新能源发电系统的输出特性具有随机性和波动性，因此，在独立运行的新能源发电系统中必须配备储能单元来存储和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和稳定性的要求。

传统的新能源发电系统均采用多个独立变换器进行电能变换，系统结构复杂，效率低，成本高，无法实现集中式控制，为了进一步提高系统的效率，降低系统成本，研究者将多端口变换器应用于新能源发电系统中，然而，现有的多端口变换器往往只包括一个负载端，仅能提供一个电压等级的直流母线，无法满足多个不同电压等级的负载同时接入系统的要求。因此，一些学者提出了具有双极性输出的新能源发电系统，能够同时输出对称的正极性电压和负极性电压。双极性新能源发电系统相比于单极性新能源发电系统具有如下优势：1)当其中一路输出无法正常工作时，另一路输出仍然能够正常工作，系统可靠性更高；2)流过地线的电流很小，且当两路负载相同时，流过地线的电流为0；3)当负载功率相等时，双极性新能源发电系统中单根母线上传输的功率是单极性新能源发电系统的一半；4)能够提供三个电压等级的输出，应用范围更广。传统的双极性电压输出的实现方式是采用隔离型的正激变换器或者反激变换器，通过共用一个变压器磁芯，进行多输出绕组绕制变压器，从而实现双极性输出，这种方式的缺点是变压器设计复杂，系统体积大，效率低。因此有必要提出基于非隔离型多端口变换器的双极性新能源发电系统，以克服现有技术中存在的体积大、成本高、效率低等问题。

实用新型内容

本实用新型针对现有技术的不足，提出了一种具有双极性输出的四端口变换器。该变换器能够同时输出对称且共地的双极性电压，且采用一个变换器即可实现两个功率源和多个负载同时接入系统，并能够通过相应的控制实现源和负载之间的能量管理。

实现本实用新型目的的技术方案如下：

具有双极性输出的四端口变换器，包括直流功率源V_in1和具有充电和放电功能的直流功率源V_in2；V_in1的正极连接到电感L₁的输入端，L₁的输出端连接到开关管S₁的漏极和中间储能电容C_x的正极，C_x的负极连接到电感L₂的输入端和二极管D₂的阳极，D₂的阴极连接到负载R₁的输入端；V_in1的负极、S₁的源极、L₂的输出端和R₁的输出端均连接到参考地；还包括并联到V_in1两端的输入滤波电容C_in1和并联到R₁两端的输出滤波电容C₁；V_in2的正极连接到二极管D₃的阴极，D₃的阳极连接到开关管S₃的源极，S₃的漏极连接到中间储能电容C_y的正极，C_y的负极连接到二极管D₄的阳极和电感L₃的输入端，电感L₃的输出端连接到负载R₂的输入端；V_in2的负极、D₄的阴极和R₂的输出端均连接到参考地；还包括并联到V_in2两端的输入滤波电容C_in2和并联到R₂两端的输出滤波电容C₂；还包括二极管D₁和开关管S₂，D₁的阳极连接到L₁的输入端，D₁的阴极连接到S₂的源极，S₂的漏极连接到D₃的阴极；S₁的漏极还连接到S₃的漏极。

进一步地，还包括负载R₃，R₃的两端分别连接到R₁和R₂的输入端。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1.结构简单、成本低廉、功率密度高及系统效率高。

2.能够输出对称且共地的双极性电压，还能够连接三个电压等级的负载，应用范围广，可靠性高。

3.变换器的输入和输出端口间电压关系灵活，既可升压又可降压。

附图说明

图1是具有双极性输出的四端口变换器的原理图。

图2是双输入双输出模式的等效电路图。

图3(a)、图3(b)分别是双输入双输出模式下的两种主要工作波形。

图4是单输入三输出模式的等效电路图。

图5是单输入三输出模式下的主要工作波形。

图6是具有双极性输出的四端口变换器的一种控制方法的原理图。

图7(a)、图7(b)分别是双输入双输出模式下的两种稳态波形。

图8是单输入三输出模式下的稳态波形。

图9是双输入双输出模式下负载跳变的瞬态响应波形。

图10是单输入三输出模式下负载跳变的瞬态响应波形。

图11是在双输入双输出模式和单输入三输出模式之间切换的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。

一种具有双极性输出的四端口变换器，该变换器能够同时接入第一功率源V_in1、第二功率源V_in2和负载，且能够输出对称且共地的双极性电压，电路器件少，功率密度高，应用范围广。

图1示出，一种具有双极性输出的四端口变换器的电路原理图，包括第一功率源V_in1，第二功率源V_in2，正极性输出端口V_o1，负极性输出端口V_o2，第一输入滤波电容C_in1，第二输入滤波电容C_in2，第一中间储能电容C_x，第二中间储能电容C_y，第一输出滤波电容C₁，第二输出滤波电容C₂，第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃，第一开关管S₁，第二开关管S₂，第三开关管S₃，第一二极管D₁，第二二极管D₂，第三二极管D₃，第四二极管D₄，第一负载R₁，第二负载R₂。此外，还可以根据实际需要增加第三负载R₃。

其中，第一功率源V_in1采用光伏单元作为输入、第二功率源V_in2采用储能单元作为输入，第一负载R₁、第二负载R₂和第三负载R₃均采用纯电阻。

第一功率源V_in1的正极与第一电感L₁的一端和第一二极管D₁的阴极连接，负极与参考地连接，第一电感L₁的另一端与第一开关管S₁的漏极和第一中间储能电容C_x的正极连接，第一开关管S₁的源极连接至参考地，第一中间储能电容C_x的负极与第二电感L₂的一端和第二二极管D₂的阳极连接，第二电感L₂的另一端连接至参考地，第二二极管D₂的阴极作为变换器的正极性输出端口V_o1的正极，并与负载R₁的正极连接。

第二功率源V_in2的负极连接至参考地，正极与第二开关管S₂的漏极和第三二极管D₃的阴极连接，第二开关管S₂的源极与第一二极管D₁的阳极连接，第三二极管D₃的阳极与第三开关管S₃的源极连接，第三开关管S₃的漏极与第一开关管S₁的漏极和第二中间储能电容C_y的正极连接，第二中间储能电容C_y的负极分别与第四二极管D₄的阳极和第三电感L₃的一端连接，第四二极管D₄的阴极连接至参考地，第三电感L₃的另一端作为变换器的正极性输出端口V_o2的正极，并与负载R₂的正极连接。

如果系统中设置了第三负载R₃，则负载R₃的两端分别连接到负载R₁和负载R₂的正极。

第一输入滤波电容C_in1和第二输入滤波电容C_in2分别并联至光伏输入端口和储能单元输入端口的两端；第一输出滤波电容C₁和第二输出滤波电容C₂，分别并联至正极性输出端口和负极性输出端口的两端。

系统中，第一功率源V_in1可以是各种能够提供直流输出的功率源，第二功率源V_in2可以是各种具有充电和放电功能的储能设备。

具体应用时，为了实现严格的对称双极性输出，需要保证第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃均工作于电感电流连续导通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)，所以，L₁、L₂、L₃均应该取较大的电感值。

为了实现严格的对称双极性输出，还需要保证第一中间储能电容C_x和第二中间储能电容C_y的电压基本恒定，所以，C_x、C_y均应该取较大的电容值。

在双输入双输出模式，第三开关管S₃始终关断，第一功率源V_in1和第二功率源V_in2同时为负载单元提供能量，在一个开关周期内，系统包括四种开关状态，分别是：状态1(S₁和S₂均导通)；状态2(S₁导通，S₂关断)；状态3(S₁关断，S₂导通)；状态4(S₁和S₂均关断)，若S₁的导通占空比d₁大于S₂的导通占空比d₂，则在一个开关周期内依次出现状态1、状态2、状态4，若S₁的导通占空比d₁小于S₂的导通占空比d₂，则在一个开关周期内依次出现状态1、状态3、状态4。

在单输入三输出模式，第二开关管S₂始终关断，仅第一功率源V_in1为负载提供能量，第二功率源V_in2吸收多余的能量，在一个开关周期内，系统包括三种开关状态，分别是：状态1(S₁导通，S₃关断)；状态2(S₁关断，S₃导通)；状态3(S₁和S₃均关断)。

图2示出，具有双极性输出的四端口变换器在双输入双输出模式下的等效电路。在双输入双输出模式，光伏单元V_in1和储能单元V_in2同时为负载提供能量，开关管S₃恒关断。

图3示出，具有双极性输出的四端口变换器在双输入双输出模式下的主要工作波形，其中d₁为开关管S₁的导通占空比，d₂为开关管S₂的导通占空比，i_L为流过电感L₁的电流，v_L为电感L₁两端的电压，V_cx为第一中间储能电容C_x两端的电压，V_cy为第一中间储能电容C_y两端的电压。在双输入双输出模式，变换器可能出现两种工作状态，分别是d₁>d₂和d₁<d₂，如图3(a)和图3(b)所示。

在双输入双输出模式，根据第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃的伏秒平衡关系可以得到，无论是d₁>d₂还是d₁<d₂，正极性输出端电压V_o1和负极性输出端电压V_o2分别为：

上式能够看出，在双输入双输出模式下，正极性输出端电压V_o1和负极性输出端电压V_o2具有相同的幅值和相反的电压极性，且当开关管S₁的导通占空比d₁在0到1之间变化时，正极性端电压V_o1能够在0到正无群大之间变化，负极性端电压V_o2能够在0到负无群大之间变化。所以，本实用新型的变换器在双输入双输出模式下既能实现升压又能实现降压。

图4示出，具有双极性输出的四端口变换器在单输入三输出模式下的等效电路。在单输入三输出模式，仅光伏单元为负载提供能量，储能单元吸收光伏单元产生的多余能量，开关管S₂恒关断。

图5示出，具有双极性输出的四端口变换器在单输入三输出模式下的主要工作波形，其中d₁为开关管S₁的导通占空比，d₃为开关管S₃的导通占空比，i_L为流过电感L₁的电流，v_L为电感L₁两端的电压，V_cx为第一中间储能电容C_x两端的电压，V_cy为第一中间储能电容C_y两端的电压。

在单输入三输出模式，根据第一电感L₁，第二电感L₂，第三电感L₃的伏秒平衡关系可以得到正极性输出端和负极性输出端的电压为：

上式能够看出，在单输入三输出模式下，正极性输出端和负极性输出端的电压具有相同的幅值和相反的电压极性，且当开关管S₁和开关管S₃的导通占空比之和d₁+d₃在0到1之间变化时，正极性端电压V_o1能够在0到正无群大之间变化，负极性端电压V_o2能够在0到负无群大之间变化。所以，本实用新型的变换器在单输入三输出模式下既能实现升压又能实现降压。

图6示出，具有双极性输出的四端口变换器的一种控制电路。控制电路包括第一功率源控制器、第二功率源控制器、输出电压控制器、模式选择电路和脉冲调制电路。在本例中，第一功率源控制器实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)控制，通过采样光伏单元输入端的电压V_in1和电流I_in1进行MPPT运算，得到控制信号v_e1，从而实现光伏的最大功率输出；第二功率源控制器对储能单元的电压和电流进行控制，通过采样储能单元两端的电压V_in2和充放电电流I_in2，与预设的阈值进行比较，从而使储能单元实现过充保护和过放保护；输出电压控制器通过采样两路输出电压V_o1和V_o2，然后计算V_ox＝0.5*V_o1-0.5*V_o2，并将V_ox与参考电压V_{o_ref}进行比较，从而控制输出电压恒定；模式选择电路根据输出电压控制器的输出v_oe的大小来确定系统的运行模式，若v_oe<0，则系统运行于双输出模式，若v_oe>0，则系统运行于双输入模式；脉冲调制电路将模式选择电路的输出与锯齿波进行比较，从而产生脉冲信号，控制开关管S₁、S₂和S₃的导通和关断。需要说明的是，上述控制电路并不是本实用新型的唯一控制电路。

用PSIM仿真软件对系统进行时域仿真分析，系统的仿真参数设置为：C_in1＝C_in2＝C₁＝C₂ 470μF，C_x＝C_y＝1000μF，L₁＝L₂＝L₃＝330μH，正极性输出端口电压V_o1＝24V，负极性输出端口电压V_o2＝-24V，储能单元电压V_in2＝30V，开关频率为f_s＝100kHz，系统仿真结果如图7至图11所示。

图7是具有双极性输出的四端口变换器在双输入双输出模式下的开关驱动信号、电感L₁的电流i_L和电感两端电压v_L的稳态波形，其中图7(a)为d₁>d₂的稳态波形，图7(b)为d₁<d₂的稳态波形，从图中可以看出，仿真结果与理论分析一致。

图8是具有双极性输出的四端口变换器在单输入三输出模式下的开关驱动信号、电感L₁的电流i_L和电感两端电压v_L的稳态波形，从图中可以看出，仿真结果与理论分析一致。

图9是具有双极性输出的四端口变换器在双输入双输出模式下负载跳变的瞬态响应波形，此时光伏的输出最大功率为75W，初始时刻，光伏组件以最大功率输出，负载消耗功率为100W，储能单元提供的功率为25W，在0.1s时负载功率由100W增大为150W，储能单元提供的功率突变为75W，在0.15s时负载功率由150W减小至100W，系统运行情况与初始状态一致。从图中可以看出，当负载发生变化时，正极性输出端电压和负极性输出端电压均保持恒定。

图10是具有双极性输出的四端口变换器在单输入三输出模式下负载跳变的瞬态响应波形，此时光伏的输出最大功率为125W，初始时刻，光伏组件以最大功率输出，负载消耗功率为100W，储能单元吸收的功率为25W，在0.1s时负载功率由100W减小为50W，储能单元吸收的功率突变为75W，在0.15s时负载功率由50W增加至100W，系统运行情况与初始状态一致。从图中可以看出，当负载发生变化时，正极性输出端电压和负极性输出端电压均保持恒定。

图11是具有双极性输出的四端口变换器在单输入三输出模式和双输入双输出模式之间切换的仿真波形，初始时刻，光伏以125W的最大功率输出，负载消耗功率为100W，储能单元吸收的功率为25W，系统工作于单输入三输出模式，在0.1s时光伏的最大输出功率从125W突变为50W，光伏的输出功率大于负载需求的功率，为了保证系统正常工作，系统运行模式切换至双输入双输出模式，储能单元提供的功率为50W，在0.15s时，光伏的最大输出功率从50W突变为125W，系统运行情况与初始状态一致。

根据上述理论分析及仿真能够看出，本实用新型所提出的一种具有双极性输出的四端口变换器具有结构简单、成本低廉、功率密度高、系统效率高的优势，能够输出对称且共地的双极性电压，能够连接至少三个电压等级的负载，应用范围广，可靠性高，且开关器件少，能够实现集中式控制，使得控制电路的设计更简单，变换器的输入和输出端口间电压关系灵活，既可升压又可降压。因此，本实用新型所提出的变换器相比于现有技术具有明显的优势。

Claims (2)

1.具有双极性输出的四端口变换器，其特征在于，包括直流功率源V_in1和具有充电和放电功能的直流功率源V_in2；

V_in1的正极连接到电感L₁的输入端，L₁的输出端连接到开关管S₁的漏极和中间储能电容C_x的正极，C_x的负极连接到电感L₂的输入端和二极管D₂的阳极，D₂的阴极连接到负载R₁的输入端；V_in1的负极、S₁的源极、L₂的输出端和R₁的输出端均连接到参考地；还包括并联到V_in1两端的输入滤波电容C_in1和并联到R₁两端的输出滤波电容C₁；

V_in2的正极连接到二极管D₃的阴极，D₃的阳极连接到开关管S₃的源极，S₃的漏极连接到中间储能电容C_y的正极，C_y的负极连接到二极管D₄的阳极和电感L₃的输入端，电感L₃的输出端连接到负载R₂的输入端；V_in2的负极、D₄的阴极和R₂的输出端均连接到参考地；还包括并联到V_in2两端的输入滤波电容C_in2和并联到R₂两端的输出滤波电容C₂；

还包括二极管D₁和开关管S₂，D₁的阳极连接到L₁的输入端，D₁的阴极连接到S₂的源极，S₂的漏极连接到D₃的阴极；

S₁的漏极还连接到S₃的漏极。

2.如权利要求1所述的四端口变换器，其特征在于，还包括负载R₃，R₃的两端分别连接到R₁和R₂的输入端。