CN216873080U

CN216873080U - 基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口dc-dc转换器

Info

Publication number: CN216873080U
Application number: CN202122766022.7U
Authority: CN
Inventors: 陈景文; 周婧; 刘涛; 毛磊; 赵钰哲
Original assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Current assignee: Shaanxi University of Science and Technology
Priority date: 2021-11-11
Filing date: 2021-11-11
Publication date: 2022-07-01
Anticipated expiration: 2031-11-11

Abstract

本实用新型提供基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC‑DC转换器，二象限逆变器通过高频变压器保证其所连接的光伏模块向输出端口的单向功率流，这一动作消除了不同端口之间存在的任何循环电流。此外，来自二象限逆变器的功率流可以使用其相应的占空比控制而无需用相移来控制。因此，不需要外部电感，这使得所提出的多端口转换器优于MAB转换器。每个端口都被控制从其耦合的光伏模块产生最大功率，能够跟踪连接到它们的类型、等级和辐照度不同端口的光伏模块的最大功率点，能够解决校友技术中存在组件数量较多、效率低、成本高、规模大的问题，同时还避免使用移相角控制的问题。

Description

基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器

技术领域

本实用新型属于电力电子技术领域，具体涉及基基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器。

背景技术

现有技术中通常将不同的输入源与负载连接起来，这种拓扑结构除了非隔离特性外，还需要一个复杂的控制器，这种控制器可能不适合PV系统；同时，现有技术中通常采用的方案还包括在每个端口采用三脚转换器组成，端口连接到一个中心带多绕组变压器，这种方案的一个缺点是组件数量大；此外，该拓扑的分析仅限于一个输入端口和双输出端口；针对现有的采用单芯变压器或双芯变压器的三重有源桥DC-DC变换器，TAB拓扑是基于传统的半H桥或全H桥转换器，通过控制任意两个H桥变换器之间的相角差来实现所需的潮流，因此，需要在H桥和高频变压器之间插入电感，以获得实现所需潮流所需的移相角范围，作为TAB变换器的扩展，采用全桥或半桥变换器的多源桥(MAB)变换器，与TAB变换器类似，采用移相角控制方案来调节输入端口和输出端口之间的功率转移，TAB和MAB转换器的主要缺点是需要外部电感以及需要使用复杂的移相控制，这不可避免地会对性能造成负面影响。

实用新型内容

针对现有技术中存在组件数量较多、效率低、成本高、规模大的缺点，也为了避免使用移相角控制的问题，本实用新型提供基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，光伏系统多端口DC-DC转换器每个端口均设置有二象限逆变器拓扑单元；

所述二象限逆变器拓扑单元的输入侧连接光伏模块，输出侧连接高频变压器的输入端；

所述高频变压器的初级侧跨接在二象限逆变器拓扑单元的两个桥臂之间，高频变压器的次级侧跨连接有整流器单元，且连接于整流器单元的两个桥臂之间；

所述光伏系统多端口DC-DC转换器每个端口的二象限逆变器拓扑单元经高频变压器和整流器单元连接PV模块并汇流至直流总线；

所述二象限逆变器拓扑单元包括电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管；

所述电容一端连接第一开关管的集电极，另一端连接第二开关管的集电极；第一开关管的集电极连接第三开关管的集电极，第一开关管的发射极连接第二开关管的集电极，第三开关管的发射极连接第四开关管集电极，第四开关管的发射极连接第二开关管的集电极。

进一步，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均采用绝缘栅双极晶体管。

进一步，所述二象限逆变器拓扑单元还包括一个电压源型逆变器和一个电流源型逆变器。

进一步，所述一个电压源型逆变器包括绝缘双极晶体管和反并联二极管的一个支路。

进一步，所述一个电流源型逆变器包括绝缘双极晶体管和串联二极管或者反向阻断绝缘双极晶体管的一个支路。

进一步，所述高频变压器采用高频隔离变压器。

进一步，所述高频变压器的输入侧绕组采用相同的匝数。

进一步，所述高频隔离变压器的输入与输出绕组之间的匝数比用于调整电压提升至直流母线电压水平。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，二象限逆变器通过高频变压器保证其所连接的光伏模块向输出端口的单向功率流，这一动作消除了不同端口之间存在的任何循环电流。此外，来自二象限逆变器的功率流可以使用其相应的占空比控制而无需用相移来控制。因此，不需要外部电感，这使得所提出的多端口转换器优于MAB转换器。每个端口都被控制从其耦合的光伏模块产生最大功率，能够跟踪连接到它们的类型、等级和辐照度不同端口的光伏模块的最大功率点，能够解决校友技术中存在组件数量较多、效率低、成本高、规模大的问题，同时还避免使用移相角控制的问题。

附图说明

图1为现有技术中采用的H桥在正态下的工作电路示意图；

图2为本实用新型基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路示意图；

图3为本实用新型具体实施例中拓展的端口任意逆变器的门控信号；

图4为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图；

图5为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图；

图6为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图；

图7为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图；

图8为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图；

图9为本实用新型具体实施例中基于二象限逆变器拓扑多端口DC-DC变换器电路一种工作状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

现有技术中采用的H桥并在正态下工作时的多端口DC-DC变换器。当a端口的直流电压高于b端口的直流电压(v_a>v_b)时，循环电流从a端口通过S_1a,D_1b,D_4b,S_4a流向b端口的直流电容，如图1所示。这种循环电流可能会损坏H型桥。利用提议的两象限逆变器取代传统的桥，消除了不同电压下不同端口之间的循环电流。因此，所提出的多端口DC-DC变换器拓扑适用于连接不同的光伏组件，即使它们在不同的辐照度下运行。

本实用新型提供基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，如图2所示，光伏系统多端口DC-DC转换器每个端口均设置有二象限逆变器拓扑单元；

每个二象限逆变器D_i的占空比由MPPT单元设置，用来跟踪连接端口的光伏模块的MPP。因此，所提出的拓扑结构能够使不同辐照度水平施加的不同光伏模块获得最大功率。此外，还可以通过在高频变压器铁芯上增加更多的端口和绕组来扩展PV模块接口系统的多端口变换器。

所述二象限逆变器拓扑单元包括电容C_PV、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄；

电容C_PV一端连接第一开关管S₁的集电极，另一端连接第二开关管S₂的集电极；第一开关管S₁的集电极连接第三开关管S₃的集电极，第一开关管S₁的发射极连接第二开关管S₂的集电极，第三开关管S₃的发射极连接第四开关管S₄集电极，第四开关管S₄的发射极连接第二开关管的集电极。

本实用新型提供的一种优选实施例为，所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄均采用绝缘栅双极晶体管，其具有输入阻抗高、开关速度快和工作频率高的优点。

本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述二象限逆变器拓扑单元还包括一个电压源型逆变器和一个电流源型逆变器，具体的，所述一个电压源型逆变器包括绝缘双极晶体管和反并联二极管V_D的一个支路；所述一个电流源型逆变器包括绝缘双极晶体管和串联二极管V_D或者反向阻断绝缘双极晶体管的一个支路。

本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述高频变压器采用高频隔离变压器，具体的，高频隔离变压器能够使得一次侧与二次侧的电气完全绝缘，从而抑制高频杂波传入控制回路。

本实用新型提供的另一种优选实施例为，所述高频变压器的输入侧绕组采用相同的匝数，同时，所述高频隔离变压器的输入与输出绕组之间的匝数比用于调整电压提升至直流母线电压水平；其中高频隔离变压器的输入与输出绕组之间的匝数比为N。具体的，为了简化分析多端口，所述的高频隔离变压器的输入绕组使用相同的匝数，输入与输出绕组之间的匝数比N是用来将电压提升到直流母线电压的水平。如图3所示，i端口任意逆变器的门控信号，一个支路开关S_3i和S_4i的占空比为50％，而另一个支路开关S_1i和S_2i采用占空比为的脉宽调制PWM进行门控。如图2所示，S_1i、S_2i、S_3i、S_4i指的是每个二象限逆变器拓扑单元对应位置的开关管(i表示可以扩展i端口)；D_i表示占空比；T表示门控信号的周期。

本实用新型提供基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器在使用时，包括以下步骤：

S1：光伏系统多端口DC-DC转换器的端口包括a端口和b端口；

S2：若

且v_a<(v_a+v_D/N)/2，则光伏系统多端口DC-DC转换器a端口的二象限逆变器的第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，同时，b端口的二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断，流经a端口处绕组电感的电流i_1a线性上升，b端口处绕组电感没有电流流过；

若

且v_a≥(v_a+v_D/N)/2，则光伏系统多端口DC-DC转换器a端口处的第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，b端口处的第一开关管和第四开关管导通，第二开关管和第三开关管关断，此时流经a端口处绕组电感的电流i_1a线性上升，b端口处绕组电感的电流i_1b也同时线性上升。如图4和图5所示，其中L₁为高频变压器输入绕组电感，L₂为高频变压器输出绕组电感，N为输入与输出绕组之间的匝数比，V_a、V_b为两个端口的光伏电容电压，V_o为稳压电容电压、V_D为多端口DC-DC转换器的输出电压，C_pv为光伏电容，C为稳压电容；

S3：如图6所示，a端口二象限逆变器的第一开关管与第三开关管关断，第四开关管导通，与第二开关管反并联的二极管开通；b端口二象限逆变器的第一开关管与第四开关管导通，第二开关管与第三开关管关断。此时流经a端口处绕组电感的电流i_1a自由通过第四开关管S_4a和D_2a，将a端口处绕组电感L_1a存储的能量通过整流器放电到输出侧。

S4：如图7所示，a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器的第一开关管与第四开关管导通，第二开关管与第三开关管关断，则为低电压端口二象限逆变器b端口输出侧提供电源；

S5：如图8所示，a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器的第一开关管与第三开关管关断，第四开关管导通，与第二开关管反并联的二极管开通；则流经b端口处绕组电感和次级侧绕组电感中存储的能量通过b端口二象限逆变器的第四开关管、b端口二象限逆变器的第二电容和整流器转移到负载侧；

S6：如图9所示，a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断，则为高频变压器断电状态，完成正半周期电压转换过程；

S7：若

且v_a<(v_a+v_D/N)/2，则光伏系统多端口DC-DC转换器a端口的二象限逆变器的第一开关管和第四开关管关断，第二开关管和第三开关管导通，同时，b端口的二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断，流经a端口处绕组电感的电流i_1a线性上升，b端口处绕组电感没有电流流过；

若

且v_a≥(v_a+v_D/N)/2，则光伏系统多端口DC-DC转换器a端口处的第一开关管和第四开关管关断，第二开关管和第三开关管导通，b端口处的第一开关管和第四开关管关断，第二开关管和第三开关管导通，此时流经a端口处绕组电感的电流i_1a线性上升，b端口处绕组电感的电流i_1b也同时线性上升。其中L₁为高频变压器输入绕组电感，L₂为高频变压器输出绕组电感，N为输入与输出绕组之间的匝数比，V_a、V_b为两个端口的光伏电容电压，V_o为稳压电容电压、V_D为多端口DC-DC转换器的输出电压，C_pv为光伏电容，C为稳压电容；

S8：a端口二象限逆变器中与第二开关管反并联的二极管开通，第三开关管导通，第二开关管与第四开关管关断；b端口二象限逆变器的第一开关管与第四开关管关断，第二开关管与第三开关管到导通。此时流经a端口处绕组电感的电流i_1a自由通过第四开关管S_3a和D_1a，将a端口处绕组电感L_1a存储的能量通过整流器放电到输出侧。

S9：a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器的第一开关管与第四开关管关断，第二开关管与第三开关管导通，则为低电压端口二象限逆变器b端口输出侧提供电源；

S10：a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器中与第一开关管反并联的二极管导通，第三开关管导通，第二开关管与第四开关管关断；则流经a端口处绕组电感L_1a和次级侧绕组电感L₂中存储的能量通过b端口二象限逆变器的第一开关管S_1b、与第一开关管反并联的电容和整流器转移到负载侧；

S11：a端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断；b端口二象限逆变器的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管都关断，完成负半周期电压转换过程，同时完成一个周期电压转换过程。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims

1.基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，光伏系统多端口DC-DC转换器每个端口均设置有二象限逆变器拓扑单元；

2.根据权利要求1所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均采用绝缘栅双极晶体管。

3.根据权利要求1所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述二象限逆变器拓扑单元还包括一个电压源型逆变器和一个电流源型逆变器。

4.根据权利要求3所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述一个电压源型逆变器包括绝缘双极晶体管和反并联二极管的一个支路。

5.根据权利要求3所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述一个电流源型逆变器包括绝缘双极晶体管和串联二极管或者反向阻断绝缘双极晶体管的一个支路。

6.根据权利要求1所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述高频变压器采用高频隔离变压器。

7.根据权利要求6所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述高频变压器的输入侧绕组采用相同的匝数。

8.根据权利要求6所述基于二象限逆变器拓扑单元的光伏系统多端口DC-DC转换器，其特征在于，所述高频隔离变压器的输入与输出绕组之间的匝数比用于调整电压提升至直流母线电压水平。