一種適用于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的新型三端口DC/DC變換器

陳美伊，王維俊，溫亞?wèn)|，葉　盛

（后勤工程學(xué)院機(jī)械電氣工程系，重慶401311）

一種適用于波浪能發(fā)電系統(tǒng)的新型三端口DC/DC變換器

陳美伊，王維俊，溫亞?wèn)|，葉盛

（后勤工程學(xué)院機(jī)械電氣工程系，重慶401311）

提出了一種新型的三端口DC/DC變換器電路拓?fù)洹Ｔ谌珮蜃儞Q器的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)變壓器副邊，形成三端口全橋變換器。該拓?fù)洳粌H輸入電壓變化范圍寬，輸入輸出變比大，安全性高，實(shí)現(xiàn)了升降壓變換；并且采用了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，適用于大功率場(chǎng)合。分析了該變換器的工作狀態(tài)和開(kāi)關(guān)模態(tài)，并通過(guò)Saber仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。

三端口變換器；DC/DC；軟開(kāi)關(guān)；Saber仿真

引言

傳統(tǒng)化石能源的枯竭，環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)重，使得人類(lèi)的生存面臨極大的挑戰(zhàn)。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，改善生存環(huán)境，新能源發(fā)電技術(shù)特別是可再生能源發(fā)電技術(shù)受到了普遍重視，在全世界范圍內(nèi)得到了越來(lái)越快的發(fā)展［1-2］。由于惡劣復(fù)雜的自然條件的限制，波浪能的開(kāi)發(fā)相較于太陽(yáng)能和風(fēng)能還處于比較落后的階段。但海洋面積占地球表面積的70.9%，蘊(yùn)藏著巨大的資源，具有很大的發(fā)展?jié)摿Γ?］。

對(duì)于一整套波浪能發(fā)電系統(tǒng)而言，在整流環(huán)節(jié)和逆變環(huán)節(jié)之間增加DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓和調(diào)壓的作用，有利于電能的利用。由于海浪波高和頻率等參數(shù)的隨機(jī)性和非線性，波浪能發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)輸出的電壓是時(shí)變，不穩(wěn)定的，這就導(dǎo)致后級(jí)電能處理環(huán)節(jié)的輸入電壓變化范圍較大。文獻(xiàn)［4］介紹了一臺(tái)我國(guó)自主研發(fā)的10 kW漂浮點(diǎn)吸收波浪能直線發(fā)電裝置，對(duì)其進(jìn)行了理論分析并完成了裝備制造和實(shí)海實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知發(fā)電機(jī)的輸出最高電壓為381 V，輸出能力極不穩(wěn)定，需要后續(xù)電力電子設(shè)備進(jìn)行變換；波浪能發(fā)電總體效率較低［5］，因此DC/DC變換器不僅要在實(shí)現(xiàn)寬范圍升降壓變換的前提下，適應(yīng)高電壓帶來(lái)的開(kāi)關(guān)應(yīng)力問(wèn)題，同時(shí)需要采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)提高變換器的效率；文獻(xiàn)［6］提出了一種應(yīng)用于飛機(jī)專(zhuān)用電源的寬電壓輸入范圍的兩級(jí)式變換器，Boost電路作為預(yù)調(diào)節(jié)級(jí)，后級(jí)采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)Buck電路，該電路開(kāi)關(guān)器件少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)隔離變壓器，整體效率高，適用于中小功率場(chǎng)合；文獻(xiàn)［7］提出了一種適用于寬輸入電壓范圍的三端口變換器，將H橋升降壓變換器的濾波電感用變壓器代替，同時(shí)增加變壓器副邊整流濾波電路，形成三端口網(wǎng)絡(luò)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，輸入電壓范圍寬，實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)效率高，但輸入源和蓄電池沒(méi)有電氣隔離，適合于功率較小的場(chǎng)合；文獻(xiàn)［8］提出了一種用于新能源發(fā)電的三半橋三端口電路拓?fù)?，該拓?fù)溟_(kāi)關(guān)器件少，能在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，整體效率較高，但由于采用了半橋電路，開(kāi)關(guān)應(yīng)力較大，不適用于大功率場(chǎng)合；文獻(xiàn)［9］提出了一種用于波浪能發(fā)電的兩端口兩級(jí)式DC/DC變換器，前級(jí)為Boost升壓電路，后級(jí)采用倍流整流全橋電路，Boost電路采用單周控制提高對(duì)輸入擾動(dòng)的響應(yīng)速度，倍流整流全橋電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，克服了傳統(tǒng)全橋電路占空比丟失，副邊電壓尖峰等缺陷，但Boost電路只能升壓，因此輸入電壓不能太大，倍流整流全橋電路對(duì)變壓器的要求較高，設(shè)計(jì)困難，另外該電路沒(méi)有儲(chǔ)能器件，僅適用于功率較小的場(chǎng)合；文獻(xiàn)［10］設(shè)計(jì)了一整套小型波浪能發(fā)電系統(tǒng)，包括發(fā)電裝置和電能處理環(huán)節(jié)。其中DC/DC變換器采用單管Buck-Boost變換器，以蓄電池為備用電源，整體為非隔離型三端口拓?fù)?。該波浪能發(fā)電系統(tǒng)只適用于小功率場(chǎng)合，單管Buck-Boost電路雖然實(shí)現(xiàn)了升降壓變換，但輸入輸出反相，動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，維護(hù)成本高。

本文針對(duì)波浪能發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)、波動(dòng)大、沖擊大等特點(diǎn)，提出了一種新型三端口DC/DC變換器。該變換器不僅實(shí)現(xiàn)了完全的電氣隔離，安全性高，實(shí)現(xiàn)了升降壓變換，并且輸入電壓變化范圍寬，采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，適用于大功率場(chǎng)合。

1　新型變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

1.1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文提出的新型三端口DC/DC變換器拓?fù)淙鐖D1所示。該變換器采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，有輸入端、儲(chǔ)能端和負(fù)載端3個(gè)端口。雙管Buck-Boost電路作為輸入端前級(jí)；雙向Buck-Boost電路作為儲(chǔ)能端前級(jí)，儲(chǔ)能端采用蓄電池儲(chǔ)能；后級(jí)為完全隔離型三端口全橋電路。為提高效率，本文采用零電壓零電流軟開(kāi)關(guān)ZVZCS（zero-voltage zero-current switching）。ZVZCS軟開(kāi)關(guān)可以有效降低電路內(nèi)部能量環(huán)流，減小占空比丟失，并且其軟開(kāi)關(guān)范圍不受輸入電壓和負(fù)載的影響［11］。通過(guò)對(duì)ZVZCS幾種典型拓?fù)溥M(jìn)行對(duì)比綜述［12］，選用在副邊增加輔助電路的方法實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

圖1　新型三端口DC/DC變換器拓?fù)銯ig.1　Topology of the novel three-port DC/DC converter

1.2工作狀態(tài)

該變換器主要有3種工作狀態(tài)，根據(jù)輸入功率Pi和負(fù)載功率Po的大小關(guān)系來(lái)進(jìn)行區(qū)分。

（1）當(dāng)Pi＜Po時(shí)，由輸入端和儲(chǔ)能端同時(shí)向負(fù)載端供電，此時(shí)為雙輸入單輸出DISO（dual-input single-output）狀態(tài)。

（2）當(dāng)Pi＞Po時(shí)，輸入端單獨(dú)向負(fù)載端供電，儲(chǔ)能端吸收多余能量，此時(shí)為單輸入雙輸出SIDO （single-input dual-output）狀態(tài)。

（3）當(dāng)Pi=0時(shí)，輸入端無(wú)輸入，由儲(chǔ)能端單獨(dú)向負(fù)載供電，此時(shí)為單輸入單輸出SISO（single-input single-output）狀態(tài)。

1.3各種工作狀態(tài)下開(kāi)關(guān)模態(tài)分析

本文提出的新型DC/DC變換器為兩級(jí)式結(jié)構(gòu)。輸入端前級(jí)的雙管Buck-Boost電路可以對(duì)波動(dòng)的輸入電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，為后級(jí)輸入穩(wěn)定的電壓。而儲(chǔ)能端前級(jí)雙向Buck-Boost電路是考慮到蓄電池充放電時(shí)端電壓不確定情況而設(shè)計(jì)。變換器前級(jí)和后級(jí)開(kāi)關(guān)管工作沒(méi)有沖突，可以將整個(gè)變換器拓?fù)浞譃?個(gè)工作區(qū)域。

（1）輸入端前級(jí)雙管Buck-Boost電路。輸入電壓變化范圍較寬，可能高于或者低于后級(jí)的設(shè)定輸入電壓。當(dāng)前級(jí)輸入高于后級(jí)輸入時(shí)，雙管Buck-Boost電路工作于Buck狀態(tài)，S1工作，S2始終關(guān)斷；當(dāng)前級(jí)輸入低于后級(jí)輸入時(shí)，工作于Boost狀態(tài)，S2工作，S1始終導(dǎo)通。

（2）儲(chǔ)能端前級(jí)雙向Buck-Boost電路。設(shè)定儲(chǔ)能端后級(jí)輸入為蓄電池額定電壓。當(dāng)變換器處于雙輸入單輸出或單輸入單輸出狀態(tài)時(shí)，雙向Buck-Boost電路工作在Boost狀態(tài)，S12工作，S11始終關(guān)斷；當(dāng)處于單輸入雙輸出狀態(tài)時(shí)，前級(jí)工作在Buck狀態(tài)，S11工作，S12始終關(guān)斷。

（3）后級(jí)完全隔離型全橋三端口電路。后級(jí)電路為了滿足大功率、低應(yīng)力需求，采用完全隔離型全橋電路，并采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)降低損耗。

輸入端和儲(chǔ)能端前級(jí)電路開(kāi)關(guān)管工作狀態(tài)較簡(jiǎn)單，并且與后級(jí)電路開(kāi)關(guān)工作無(wú)沖突，因此本文主要對(duì)后級(jí)變換器的開(kāi)關(guān)模態(tài)進(jìn)行分析。

為簡(jiǎn)化模態(tài)分析，做出如下假設(shè)：

（1）變換器已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且各開(kāi)關(guān)管和二極管均為理想器件；

（2）不考慮蓄電池的荷電狀態(tài)。

1.3.1雙輸入單輸出狀態(tài)分析

文獻(xiàn)［13］對(duì)兩端口ZVZCS全橋電路的工作過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，特別對(duì)鉗位電容過(guò)大的情況進(jìn)行了說(shuō)明。借鑒該文獻(xiàn)，選取較大的鉗位電容，提高穩(wěn)定性，保證滯后橋臂實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)。

當(dāng)變換器工作于雙輸入單輸出狀態(tài)時(shí)，后級(jí)變換器的8個(gè)開(kāi)關(guān)管S3～S10工作。輸入端和儲(chǔ)能端對(duì)應(yīng)位置開(kāi)關(guān)管同步工作（S3對(duì)應(yīng)S7，S4對(duì)應(yīng)S8，S5對(duì)應(yīng)S9，S6對(duì)應(yīng)S10），其主要波形如圖2所示。

模態(tài)1（t0～t1）：S3、S6、S7、S10導(dǎo)通，Ip、Ib逐漸增大，同時(shí)鉗位電容Cc與變壓器漏感諧振充電，此時(shí)整流橋輸出電壓為VCc+Vo。

模態(tài)2（t1～t2）：t1時(shí)刻，半個(gè)諧振周期結(jié)束，整流橋輸出恢復(fù)Vn1/n，能量通過(guò)變壓器輸送到負(fù)載。

圖2　雙輸入單輸出狀態(tài)工作波形Fig.2　Main work waveforms of dual-input single-output state

模態(tài)3（t2～t3）：t2時(shí)刻，S3、S7關(guān)斷，此時(shí)C3、C7充電，C5、C9放電。此時(shí)Ip和Ib減小但仍然為正，輸入端和儲(chǔ)能端不向負(fù)載端傳遞能量，由輸出濾波電感續(xù)流，整流橋輸出降低。

模態(tài)4（t3～t4）：t3時(shí)刻，整流橋輸出電壓等于VCc，Dh導(dǎo)通，此時(shí)Cc向負(fù)載供電。同時(shí)反射到輸入端和儲(chǔ)能端的電壓會(huì)使Ip和Ib在t4時(shí)刻之前減小到0。

模態(tài)5（t4～t5）：t4時(shí)刻，C5和C9放電完畢，對(duì)應(yīng)并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)通S5和S9，實(shí)現(xiàn)了超前橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。

模態(tài)6（t5～t6）：t5時(shí)刻，關(guān)斷S6和S10，此時(shí)Ip和Ib已經(jīng)為0，實(shí)現(xiàn)滯后橋臂開(kāi)關(guān)管的零電流關(guān)斷。此時(shí)仍由VCc和Lo續(xù)流供電。t6時(shí)刻，導(dǎo)通S4和S8，此時(shí)為零電流導(dǎo)通。變換器進(jìn)入下半個(gè)工作周期。

1.3.2單輸入雙輸出狀態(tài)分析

當(dāng)變換器處于單輸入雙輸出工作狀態(tài)，后級(jí)變換器輸入端4個(gè)開(kāi)關(guān)管S3～S6工作，此時(shí)S7～S10不工作，由其并聯(lián)二極管組成整流橋?yàn)樾铍姵爻潆?。其主要波形如圖3所示。

圖3　單輸入雙輸出狀態(tài)工作波形Fig.3　Main work waveforms of single-input dual-output state

模態(tài)1（t0～t1）：t0時(shí)刻，S3、S6導(dǎo)通，Ip正向增大，副邊暫未導(dǎo)通。t1時(shí)刻Ib反向增大，同時(shí)負(fù)載端鉗位電容Cc與輸入端變壓器漏感諧振充電。

模態(tài)2（t1～t2）：t2時(shí)刻，半個(gè)諧振周期結(jié)束，負(fù)載端整流橋輸出由于儲(chǔ)能端的反饋電壓低于Vn1/n，輸入端為負(fù)載端供電并且給蓄電池充電。

模態(tài)3（t2～t3）：t3時(shí)刻S3關(guān)斷，此時(shí)C3充電，C5放電。此時(shí)Ip和Ib減小但方向不變，負(fù)載端由輸出濾波電感續(xù)流，整流橋輸出降低。儲(chǔ)能端由電感續(xù)流。

模態(tài)4（t3～t4）：t4時(shí)刻C5放電完畢，對(duì)應(yīng)并聯(lián)二極管自然導(dǎo)通，此時(shí)導(dǎo)通S5，實(shí)現(xiàn)了超前橋臂開(kāi)關(guān)管的零電壓導(dǎo)通。

模態(tài)5（t4～t5）：t5時(shí)整流橋輸出電壓等于VCc，Dh導(dǎo)通，此時(shí)Cc向負(fù)載供電。

模態(tài)6（t5～t6）：t6時(shí)刻，導(dǎo)通S4，此時(shí)為零電流導(dǎo)通。變換器進(jìn)入下半個(gè)工作周期。

1.3.3單輸入單輸出狀態(tài)分析

單輸入單輸出狀態(tài)下，由儲(chǔ)能端蓄電池單獨(dú)向負(fù)載端供電，后級(jí)變換器有4個(gè)開(kāi)關(guān)管工作（S7～S10），此時(shí)變換器變化為兩端口ZVZCS全橋電路。其工作波形和模態(tài)分析與文獻(xiàn)［13］類(lèi)似，此處不再贅述。

2　仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的新型DC/DC變換器的工作效果，利用Saber軟件對(duì)該電路開(kāi)環(huán)狀態(tài)進(jìn)行了仿真。

設(shè)置工作條件如下：輸入端電壓Vi為50～500 V，額定輸入電壓為200 V；輸出電壓Vo為400 V；頻率f 為40 kHz；負(fù)載端負(fù)載為1 kW（負(fù)載電阻160 Ω）。

各元器件參數(shù)設(shè)置如下：①雙管Buck-Boost電路：電感L1為1.2 mH；電容C1為200 μF；②雙向Buck-Boost電路：電感L2為1.2 mH；電容C2為200 μF；③后級(jí)變換器：為簡(jiǎn)化分析，蓄電池采用直流電壓源和0.01 Ω小電阻串聯(lián)等效，設(shè)定200 V為蓄電池額定電壓，當(dāng)蓄電池電壓低于200 V時(shí)，可通過(guò)調(diào)整S11或S12占空比達(dá)到充放電要求；主輸入端和儲(chǔ)能端阻斷電容：Cb1=Cb2=1.5 μF；超前橋臂并聯(lián)電容：C3=C5=C7=C9=1.5 nF；變壓器漏感：Llk1=Llk2= 30 μH；變壓器變比：n1∶n2∶n3=4∶4∶11；負(fù)載端電感：Lo=2 mH；輸出電容Co=200 μF。

3種工作狀態(tài)的仿真波形如圖4～圖7所示。

圖4　雙輸入單輸出狀態(tài)仿真波形Fig.4　Simulation waveforms of DISO

圖5　單輸入雙輸出狀態(tài)仿真波形Fig.5　Simulation waveforms of SIDO

圖4為雙輸入單輸出狀態(tài)下的仿真波形，S3～S6的驅(qū)動(dòng)波形與S7～S10的波形相對(duì)應(yīng)，圖（b）和（c）為當(dāng)Vi=50 V、500 V時(shí)部分參數(shù)的波形。

圖5為單輸入雙輸出狀態(tài)下的仿真波形，S3～S6的驅(qū)動(dòng)波形，圖（b）和（c）為當(dāng)Vi=50 V、500 V時(shí)，部分參數(shù)的波形。

圖6為單輸入單輸出狀態(tài)下S7～S10的驅(qū)動(dòng)波形和部分參數(shù)的波形。

圖6　單輸入單輸出狀態(tài)波形Fig.6　Simulated waveforms of SISO

圖7　3種狀態(tài)下的軟開(kāi)關(guān)波形Fig.7　Soft switching waveforms of three status

由圖4～圖6可以發(fā)現(xiàn)，在同一狀態(tài)下，電路達(dá)到穩(wěn)定后，輸出電壓穩(wěn)定性好。輸入電壓發(fā)生變化時(shí)，只需對(duì)占空比進(jìn)行微調(diào)，即可使輸出電壓穩(wěn)定。

在理想條件下，前級(jí)電路能夠?qū)⒑蠹?jí)輸入電壓穩(wěn)定在200 V，后級(jí)變換器相當(dāng)于恒電壓輸入。但實(shí)際運(yùn)行中由于開(kāi)關(guān)管和二極管壓降及損耗的存在，后級(jí)輸入電壓難以穩(wěn)定在200 V，輸入電壓不同時(shí)占空比需要進(jìn)行微調(diào)。

圖7為雙輸入單輸出、單輸入雙輸出和單輸入單輸出3種狀態(tài)下后級(jí)變換器的軟開(kāi)關(guān)效果。

從圖7可以看出，在3種狀態(tài)下，超前橋臂開(kāi)關(guān)管都能夠很好地實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通。在雙輸入單輸出狀態(tài)下，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管電流能夠在關(guān)斷之前降到0，較好地實(shí)現(xiàn)了零電流關(guān)斷；在單輸入雙輸出和單輸入單輸出狀態(tài)，滯后橋臂開(kāi)關(guān)管由于鉗位電容選取較大，諧振作用時(shí)間較長(zhǎng)，副邊電流的反饋?zhàn)饔檬沟迷呺娏髟陂_(kāi)關(guān)管關(guān)斷之前降到接近于零的一個(gè)較小的數(shù)值，基本實(shí)現(xiàn)了軟開(kāi)關(guān)的效果。

3　效率與開(kāi)關(guān)應(yīng)力分析

3.1效率分析

本文提出的三端口變換器采用兩級(jí)式結(jié)構(gòu)，考慮理想狀態(tài)，忽略開(kāi)關(guān)管、二極管和電感及電容的等效串聯(lián)電阻，變換器損耗主要為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)損耗。而后級(jí)變換器開(kāi)關(guān)管為軟開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)損耗很低，因此前級(jí)變換器硬開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的開(kāi)關(guān)損耗是影響效率的主要因素。波浪能發(fā)電輸入電壓變化范圍大，當(dāng)輸入電壓過(guò)大時(shí)，前級(jí)變換器即使只有一個(gè)開(kāi)關(guān)管工作，其產(chǎn)生的損耗也會(huì)比較大，對(duì)系統(tǒng)效率將造成不良影響。

開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算非常復(fù)雜，它與半導(dǎo)體特性的許多變量和開(kāi)關(guān)器件驅(qū)動(dòng)方法等因素有關(guān)。文獻(xiàn)［14］對(duì)部分典型變換器開(kāi)關(guān)損耗的計(jì)算方法進(jìn)行了闡述，開(kāi)關(guān)損耗是與輸入電壓、輸出電流和占空比有關(guān)的函數(shù)。

本文利用Saber軟件的圖形測(cè)量功能，可以從仿真結(jié)果中得到3種狀態(tài)下各個(gè)端口電壓和電流的有效值。按照公式P=UI計(jì)算得到各端口的功率大小，再根據(jù)效率定義η=Pout/Pin計(jì)算得到結(jié)果。

圖8為雙輸入單輸出狀態(tài)下，輸入端電壓分別為50 V、200 V、500 V時(shí)輸入端、儲(chǔ)能端和負(fù)載端的電壓電流波形。

在雙輸入單輸出狀態(tài)下，輸入端和儲(chǔ)能端都向負(fù)載端提供能量，此時(shí)輸入功率為Pin=Pi+Pb，Pout= Po。當(dāng)Vi=50 V時(shí)，Pi=485.91 W，Pb=543.61 W，Po= 1 000.35 W，變換器效率達(dá)到97.2%；當(dāng)Vi=200 V時(shí)，Pi=556 W，Pb=483.53 W，Po=1 016.69 W，效率達(dá)到97.8%；但當(dāng) Vi=500 V時(shí)，Pi=895.6 W，Pb= 491.02 W，Po=1 015.08 W，效率明顯下降，僅為73.2%。

圖8　雙輸入單輸出狀態(tài)效率分析Fig.8　Efficiency analysis of DISO status

圖9分別為單輸入雙輸出狀態(tài)下，輸入端電壓分別為50 V、200 V、500 V時(shí)輸入端、儲(chǔ)能端和負(fù)載端的電壓電流波形。

圖9　單輸入雙輸出狀態(tài)效率分析Fig.9　Efficiency analysis of SIDO status

在單輸入雙輸出狀態(tài)下，Pin=Pi，Pout=Pb+Po。當(dāng)Vi= 50 V時(shí)，Pi=1 493.95 W，Pb=369.36 W，Po=993.03 W，效率為91.2%；當(dāng)Vi=200 V時(shí)，Pi=1 552 W，Pb= 479.92 W，Po=1 010.65 W，效率為96%；當(dāng)Vi=500 V時(shí)，Pi=2 458.35 W，Pb=474.11 W，Po=1 008.84 W，效率僅為60%。

圖10為單輸入單輸出狀態(tài)下蓄電池端電壓分別為50 V和200 V時(shí)的效率分析。此時(shí)Pin=Pb，Pout=Po。當(dāng)Vb=50 V，Pb=1 032.906 W，Po=999.14 W時(shí)，拓?fù)涞男蕿?6.7%；當(dāng)Vb=200 V時(shí)，Pb=1 021.07 W，Po=995.36 W，效率達(dá)到97.5%。

圖10　單輸入單輸出狀態(tài)效率分析Fig.10　Efficiency analysis of SISO status

上述3種狀態(tài)下輸入電壓不同時(shí)的拓?fù)湫蔬M(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了理論的正確性。在輸入端電壓較低時(shí)，能夠獲得很高的效率；在額定電壓條件下，前級(jí)變換器的開(kāi)關(guān)管不工作，此時(shí)效率達(dá)到最大；一旦輸入電壓過(guò)高，輸入端前級(jí)變換器工作于Buck狀態(tài)，此時(shí)硬開(kāi)關(guān)會(huì)造成較大損耗，導(dǎo)致系統(tǒng)效率較低。

要解決輸入電壓過(guò)高導(dǎo)致效率降低的問(wèn)題有以下2種方法：一是慎重考慮波浪能發(fā)電的選址問(wèn)題，選擇波浪浪高合適的區(qū)域使輸入端電壓在平常工作中維持在額定電壓以下，從而獲得較高效率；二是對(duì)前級(jí)電路進(jìn)行改進(jìn)，增加元器件實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換ZVT（zero voltage transition）或零電流轉(zhuǎn)換ZCT （zero current transition）來(lái)降低損耗。

3.2開(kāi)關(guān)應(yīng)力分析

開(kāi)關(guān)管應(yīng)力包括開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力。

對(duì)于輸入端前級(jí)雙管Buck-Boost電路，用Vi、Ii表示前級(jí)變換器輸入電壓、電流，Vo1、Io1表示前級(jí)變換器輸出電壓、電流。工作于Buck狀態(tài)時(shí)，S1工作，S2始終關(guān)斷，此時(shí)S1的電壓應(yīng)力為輸入電壓Vi，電流應(yīng)力為輸入電流Ii=DIo1，S2承受電壓應(yīng)力為輸出電壓Vo1=DVi，電流應(yīng)力為0；工作于Boost狀態(tài)時(shí)，S1始終導(dǎo)通，S2工作，此時(shí)S1的電壓應(yīng)力為0，電流應(yīng)力為電感電流IL1=Io1/（1-D），S2承受的電壓應(yīng)力為Vo1=Vi/（1-D），電流應(yīng)力為電感電流。

對(duì)于儲(chǔ)能端前級(jí)雙向Buck-Boost電路，與雙管Buck-Boost電路對(duì)應(yīng)狀態(tài)的開(kāi)關(guān)應(yīng)力相同。

對(duì)于后級(jí)完全隔離型全橋三端口電路，用Vp、Vb、Ip、Ib分別表示輸入端輸入電壓、電流和儲(chǔ)能端輸入電壓、電流，由于輸入端和儲(chǔ)能端均采用全橋電路，因此輸入端開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為Vp，電流應(yīng)力為Ip；儲(chǔ)能端開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力為Vb，電流應(yīng)力為Ib。

4　結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種適用于波浪能發(fā)電的新型三端口DC/DC變換器拓?fù)?，利用Saber仿真軟件對(duì)拓?fù)溟_(kāi)環(huán)狀態(tài)進(jìn)行了仿真，得到了電路穩(wěn)態(tài)工作的電壓電流波形，對(duì)開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)關(guān)效果和不同狀態(tài)下的變換器效率進(jìn)行了仿真分析。結(jié)論表明該拓?fù)淠軌蜻m應(yīng)波浪能發(fā)電輸入電壓寬范圍變化的特點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了升降壓變換；采用完全隔離的形式保證拓?fù)涞母甙踩?，同時(shí)采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，能夠在一定程度上降低損耗并提高輸出的穩(wěn)定性，適用于大功率場(chǎng)合。

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A Novel Three-port DC/DC Converter for Wave Power Generation System

CHEN Meiyi，WANG Weijun，WEN Yadong，YE Sheng
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，Logistical Engineering University，Chongqing 401311，China）

A novel three-port DC/DC converter for wave power generation system is proposed.The topology is a three-port full-bridge converter generated based on the two-port full-bridge converter by increasing a transformer secondary winding.The converter not only meet the demand of wide input range voltage application and high security，but also realize the buck-boost transformation.Adopting the soft switching technology，the topology is suitable for highpower application.Finally，in this paper the work states and operational modes are analyzed，and the theoretical analysis is verified by saber simulation.

three-port converter；DC/DC；soft switching；Saber simulation

陳美伊

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.3.137

TM 46

A

陳美伊（1991-）：男，通信作者，碩士研究生，研究方向：移動(dòng)電源與軍用多能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：18580528736@163.com。

王維俊（1964-）：女，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：移動(dòng)電源與新能源發(fā)電，E-mail：wjwang866@126.com。

溫亞?wèn)|（1991-），男，碩士研究生，研究方向：移動(dòng)電源與軍用多能源發(fā)電技術(shù)，E-mail：elecrivalry@163.com。

葉盛（1982-），男，講師，研究方向：新能源發(fā)電，E-mail：yesheng7021@163.com。

2015-09-07