一種新型三端口變換器的研究*

聶 勛，馬海嘯

(南京郵電大學，江蘇 南京 210046)

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一種新型三端口變換器的研究*

聶 勛，馬海嘯

(南京郵電大學，江蘇 南京 210046)

在獨立新能源發(fā)電系統(tǒng)中，采用三端口變換器具有效率高、功率密度高、可靠性高和體積成本低等優(yōu)點。文中提出一種新型三端口變換器(TPC)，應用于獨立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，且具有高電壓增益。該三端口變換器只使用3個開關來實現功率流控制，雙輸入源共用一個電感，因此，可以減小體積。此外，該變換器的轉化率也高于其他三端口變換器。給出了該三端口變換器的工作原理、穩(wěn)態(tài)分析和控制方法。為了驗證理論分析的可行性，實現了以光伏電源電壓24 V、電池端口電壓48 V和一個輸出電壓400 V為原型的仿真。驗證了理論分析的正確性和可控制策略的有效性。

三端口；直直變換器；拓撲；獨立新能源發(fā)電系統(tǒng)

0 引言

由于全球的發(fā)展和人口的增加，能源資源變得越來越重要。使用傳統(tǒng)的能源，如化石燃料，可能會導致空氣污染和全球變暖。并且由于化石燃料的數量是有限的，可再生能源系統(tǒng)最近已迅速發(fā)展[1-2]。光伏(PV)系統(tǒng)是一種很受歡迎的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能、風能等新能源發(fā)電系統(tǒng)存在電力供應不穩(wěn)定、不連續(xù)和隨環(huán)境變化等缺點，獨立運行的新能源發(fā)電系統(tǒng)必須配備一定容量的儲能裝置以起到能量平衡和支撐作用[3]。

三端口變換器是隨著新能源發(fā)電技術的發(fā)展而提出的一類新型變換器，通過一個變換器可以同時實現輸入源、蓄電池和負載的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低成本、低體積等優(yōu)點，因此，研究出一種在具有以上優(yōu)點的前提下，有所提高的、新型的三端口變換器不僅是如今業(yè)界討論的熱點，而且對實際應用也有很大的意義[4-5]。

本文初步提出了一種新型的三端口變換器的研究，通過調整耦合電感的匝數比，在一個合理的占空比的情況下，可以同時為兩個低輸入電壓端口提供更高的轉換率。在同樣的占空比下，與傳統(tǒng)的三端口變換器相比，該變換器可以提供更高的電壓增益。從而，對三端口變換器的研究有更大的意義。

1 工作原理

1.1 標準的三端口變換器的三種不同模式

(1)單輸入單輸出(SISO)模式：如果光伏板沒有受到輻射，蓄電池單獨提供能量給負載。

(2)雙輸入單輸出(DISO)模式：光伏電源和蓄電池同時向負載提供能量。

(3)單輸入雙輸出(SIDO)模式：光伏電源提供能量給負載，剩余儲存在蓄電池中。

1.2 新型三端口變換器

該電路拓撲結構如圖1所示，具有3個功率開關管、5個二極管、1個耦合電感、1個電感器和3個電容器。Vpv是主輸入源，Vbt是連接到一個雙向端口的次輸入源。耦合電感可以等效成勵磁電感Lm、漏電感Lk和理想的變壓器Np/Ns。電容C1可以平衡磁性電感Lm的磁場能量。二極管D1和電容C2形成無損耗緩沖器。電容C3和耦合電感副邊Ns形成一個升壓電池來提供額外的電壓增益。Vpv、VC2和VC3串聯連接以建立一個高輸出電壓。

圖1 新型三端口變換器主電路拓撲

為了簡化電路分析，使該變換器工作在連續(xù)導通模式(CCM)，提出了以下假設：

(1)電壓Vbt高于電壓Vpv(一個功率為250 W的光伏板的最大功率點電壓約為30 V，一組酸性蓄電池的電壓通常高于48 V)。

(2)電容C1、C2、C3和Co足夠大，使得可以看成恒壓源。

(3)功率MOSFET和二極管是理想的，但MOSFET的漏源寄生電容要考慮。

(4)耦合電感的匝數比為Ns/Np。

(5)耦合電感的耦合系數K=Lm/(Lm+Lk)。

1.3 單輸入單輸出模式的工作原理

模態(tài)1[t0，t1]：S3導通，由于漏電感Lk、耦合電感的副邊電流線性減小，因此，二極管D5仍然是開通的，二極管D3和D4都關斷。Vbt為電感L充電，Vpv、VC2和VC3串聯為輸出電容Co充電并向負載R提供能量。當t=t1時，is=0，此模態(tài)結束。

模態(tài)2[t1，t2]：S3導通，D3和D5關斷，D4開通。Vbt為電感L充電，當磁感應電流iLm變?yōu)榱?，其方向發(fā)生變化。C1通過S3為Lm和Lk充電。C1通過副邊繞組Ns和D4為C3充電，VC3=nVC1。在t=t2時，S3關斷，此模態(tài)結束。

模態(tài)3[t2，t3]：S3關斷，電感電流iL和漏電感電流iLk同時為開關S3的寄生電容Cds3充電。C1仍然通過Ns和D4為C3充電。當t=t3時，Vds3=Vin+VL，此模態(tài)結束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3仍然關斷，D3開通為Lk續(xù)流。副邊電流is仍然為C3充電。當t=t4時，is=0 ，關斷D4，此模態(tài)結束。

模態(tài)5[t4，t5]：S3仍然截止，D5導通。Vbt和C1同時為L充電。耦合電感器的次級側感電壓VNs與Vpv、VC2以及VC3串聯，以便提供一個高壓輸出。L通過D3為C2充電。當t=t5時，S3關斷，此模態(tài)結束。

1.4 雙輸入單輸出的工作原理

大部分的模態(tài)是類似于SISO的模態(tài)，主要區(qū)別是：當S3關閉時，電感L有二級放電。

模態(tài)1[t0，t1]：S3、D1和D5開通，S1、D3、D4關斷。于是，Vpv向電感L充電，當t=t1時，is=0，該模態(tài)結束。

模態(tài)2[t1，t2]：S3、D1、D4開通，S1、D3和D5都關斷。Vpv向電感L充電，C1通過S3向Lm和Lk充電。C1通過Ns向C3充電，并且VC3=nVC1。在t=t2時S3關斷，這一模態(tài)結束。

模態(tài)3[t2，t3]：在S3斷開之后，iL和iLk向Cds3充電，C1仍然通過Ns和D4向C3充電。在t=t3時Vds3=Vin+VL，這一模態(tài)結束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3斷開，D3開通從Lk向C2回收能量。二次側電流is仍然給C3充電。在t=t4時S1開通，這個模態(tài)結束。

模態(tài)5[t4，t5]：S3和D1都斷開，S1和D5開通。蓄電池端口通過L給負載釋放能量，Vbt和L給C1充電，電壓Vpv、VC2、VNs和VC3串聯向C0充電，并且向負載提供能量。在t=t5時S1關斷，這一模態(tài)結束。

模態(tài)6[t5，t6]：S1和S3都關斷，D1、D3、D5開通。由于輸入電壓的變化，iL的負斜率再次發(fā)生變化。Vpv和L向C1充電，L通過D1和D3給C2充電。在t=t6時S3開通，這一模態(tài)結束。

1.5 單輸入雙輸出的工作原理

模態(tài)1[t1，t2]和模態(tài)2[t1，t2]：這兩種模態(tài)與雙輸入單輸出狀態(tài)下的模態(tài)1和模態(tài)2相同。

模態(tài)3[t2，t3]：S3關斷，iL和iLk向Cds3充電，S2開通，但D2是斷開的。C1仍通過Ns給C3充電。在t=t3時Vds3=Vbt，這一模態(tài)結束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3是斷開的，S2和D2開通。Vpv和L給蓄電池充電，耦合電感原邊電壓等于Vbt-Vc1，并且Vds3=Vbt。因此，二極管D3、D4和D5都是關斷的。另一方面，由于沒有電流流入理想變壓器Np/Ns，Lm可以看成一個普通的電感，并且向電池端口釋放其能量。在t=t4時S2關閉，這一模態(tài)結束。

模態(tài)5[t4，t5]：S2和S3都關斷。電流iL和iLk給Cds2和Cds3充電。沒有電流流入Np/Ns，二極管D4和D5都關斷。在t=t5時Vds3=Vpv+Vc1，這個模態(tài)結束。

模態(tài)6[t5，t6]和模態(tài)7[t6，t7]：這兩種模態(tài)與雙輸入單輸出狀態(tài)下的模態(tài)4和模態(tài)6相同。

2 新型三端口變換器的穩(wěn)態(tài)分析

為了簡化分析，忽略漏電感Lk，并且分析只考慮開關在開啟和關閉狀態(tài)。DS1、DS2和DS3分別代表開關S1、S2和S3的占空比。

2.1 單輸入單輸出狀態(tài)

通過對電感L和勵磁電感Lm應用電壓平衡原理，可以得到下面的方程：

DS3Vbt+(1-DS3)(Vbt-Vds3)=0

(1)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vds3)=0

(2)

Vc1=Vbt

(3)

于是，

Vo=Vpv+Vc2+VNs+Vc3

(4)

Vo=(1+n)/(1-DS3)*Vbt

(5)

運用同樣的技術，可以得到單輸入雙輸出和雙輸入單輸出狀態(tài)下的電壓增益。

2.2 雙輸入單輸出狀態(tài)

DS3Vpv+DS1(Vbt-Vc2-Vpv)(1-DS3-D1)(-Vc2)=0

(6)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(7)

Vc1=Vpv+DS1(Vbt-Vpv)

(8)

于是，

圖3 用于計算開關的占空比的算法

Vo=(1+n)/(1-DS3)×[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]

(9)

2.3 單輸入雙輸出狀態(tài)

DS3Vpv+(DS2-DS3)(Vpv-Vbt)+(1-DS2)*

(-Vc2)=0

(10)

DS3Vc1+(DS2-DS3)(Vc1-Vbt)+(1-DS2)

(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(11)

Vc1=Vpv

(12)

于是，

Vo=(1+n)/(1-DS2)*[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]

(13)

比較傳統(tǒng)和新型三端口變換器的轉換率，可以明確得到：在相同占空比下，新型三端口變換器可以提供更高的電壓增益。在開關S3的電壓應力也可以輕易獲得。

雙輸入單輸出狀態(tài)：

Vds3=[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]/(1-DS3)

(14)

單輸入雙輸出狀態(tài)：

Vds3=[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]/(1-DS2)

(15)

3 控制電路設計

該變換器的控制圖如圖2所示。在此控制方法中有3個調節(jié)器：光伏輸入電壓調節(jié)器(IVR)，蓄電池電壓調節(jié)器(BVR)，輸出電壓調節(jié)器(OVR)。在最大功率點，假設電池端口能夠接收來自PV端口的所有電流。IVR是一種具有擾動觀察技術的最大功率點跟蹤算法。BVR和OVR是用于調節(jié)電池端口和輸出端口的電壓模式控制回路。

圖3為一個用于計算開關的占空比的算法。

如果光伏電源不能提供能源，則變換器工作在單輸入單輸出模態(tài)。在SISO模式中，開關S3是用來調節(jié)輸出電壓的，因此，Vcs3=VOVR。如果PV源開始提供能量，那么開關S3用來調節(jié)輸入電壓Vpv以及跟蹤最大功率點。所以，在 DISO 和SIDO模態(tài)下，都有Vcs3=VIVR。

圖2 新型三端口變換器的控制圖

因為VIVR是用來跟蹤最大功率點的，所以，工作模態(tài)的確定取決于VOVR。比較VOVR和VIVR信號，如果輸出電壓的反饋電壓低于參考值，那么VOVR≥VIVR，這意味著輸出功率大于由光伏端口提供的輸入功率。因此，變換器工作在DISO模態(tài)，開關S1的控制信號Vcs1=VOVR，電池端口向輸出提供額外的能量。如果Po=Ppv， 那么VOVR=VIV，開關S1和S2都關斷，變換器可以看成一個傳統(tǒng)的兩端口變換器。

另一方面，如果VOVR≤VIVR，這意味著輸出電壓太高，額外的能量為輸出電容充電，變換器工作在SIDO模態(tài)。開關S2的控制信號Vcs2可由以下公式確定：Vcs2=(VIVR-VOVR)+VIVR。因此，開關S2的占空比隨著輸出功率的減小而增大，剩余的能量儲存在蓄電池中。因此，該變換器可以有一個平滑的過渡，而不會引起輸出電壓過沖。

表1 該變換器的規(guī)格

4 實驗結果

根據以上的理論分析，以圖1所示的拓撲為電路模型，利用仿真軟件驗證以上的原理分析。表1為該變換器的規(guī)格，表2顯示了測試的光伏板的規(guī)格。

表2 光伏板的規(guī)格

仿真結果如圖4所示，給出了新型三端口變換器電路拓撲的3個開關管的驅動信號、變壓器原邊電壓和輸出電壓的仿真波形圖，由此可看出，仿真結果與上述理論分析相符。

圖4 電路主要波形圖

5 結束語

綜上，該轉換器具有一個可再生能源的輸入端口，一個用于能量存儲的雙向端口和一個高電壓負載的輸出端口。在較少的功率開關、較低的匝數比、合理的占空比和一個簡單的控制方法的情況下，該轉換器可以為低輸入電壓端口提供更高的轉換率。實驗結果驗證了變換器的高增益和效率高的功能。

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Research on a novel three-port converter

Nie Xun, Ma Haixiao

(Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China)

In stand-alone renewable power system, using three-port converters has some advantages such as high efficiency, high power density, high reliability and low cost. In this paper, a novel three port converter (TPC) is proposed, which is applied to a stand-alone renewable power system with high voltage gain. This converter uses only three switches to realize power flow control, and two input sources share one inductor. Thus, the volume will be reduced. Besides, the conversion rate of the converter is also higher than that of the other three port converters. In this paper, the operation principle, steady state analysis and control method of the three port converter are presented. In order to verify the feasibility of the theoretical analysis, a prototype of the the converter with a low input voltage 24 V for photovoltaic source, a battery port voltage 48 V, and an output voltage 400 V is implemented.

three-port; dc-dc converter; topology; stand-alone renewable power system

國家自然科學資助基金(51107057)

TM461

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.012

聶勛，馬海嘯.一種新型三端口變換器的研究[J].微型機與應用，2017,36(13)：38-41.

2017-02-10)

聶勛(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：先進的功率變換與控制。E-mail: 1522193687@qq.com。

馬海嘯(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動。