四端口直流變換器輸入與輸出關(guān)系的研究

彭亞洲

（南京郵電大學(xué)自動化學(xué)院，江蘇 南京 210046）

0 引言

近年來，隨著能源的不斷消耗，使得新能源的應(yīng)用越來越廣泛。新能源的應(yīng)用不僅適用于家庭，而且也應(yīng)用于工業(yè)發(fā)電。以風(fēng)能和太陽能為主要代表的新能源存在能量隨機波動的缺點，因此往往需要把儲能設(shè)備加入新能源發(fā)電系統(tǒng)中[1-3]。

光伏發(fā)電配合儲能電池混合使用的這種配置方案簡單而且相對容易控制。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)一般需要使用直流變換器，比如傳統(tǒng)全橋變換器。但由于傳統(tǒng)全橋變換器設(shè)計簡單，供電比較單一，開關(guān)管的占空比調(diào)節(jié)范圍也較小，電壓傳輸功率較小，且成本較高，所以采用多端口直流變換器可以提高效率。

文獻(xiàn) [4]所述的四端口直流變換器，是由全橋變換器演變的，通過雙向 Buck/Boost 變換器與傳統(tǒng)全橋級聯(lián)構(gòu)成的電路系統(tǒng)。該系統(tǒng)中包含的開關(guān)器件比較多，使變換器的功率密度降低，損耗增大，而且端口之間多級變換降低了變換效率。所以，可以在傳統(tǒng)的四端口系統(tǒng)中讓雙向 Buck/Boost 變換器和全橋共用 4 個開關(guān)管[5]，以減少開關(guān)管的數(shù)量，增大功率密度，提高端口之間的變換效率，并且通過對變換器進(jìn)行移相控制，調(diào)節(jié)蓄電池、光伏端輸入功率和負(fù)載端輸出功率，提升了輸入與輸出端口器件利用率，使它滿足新能源發(fā)電要求。

1 工作原理分析

1.1 主電路分析

圖1 所示的直流變換器，是在傳統(tǒng)全橋的基礎(chǔ)上，研究的一種移相控制型全橋四端口變換器。該變換器由原邊電路、副邊整流電路和變壓器構(gòu)成。其中，原邊電路包括 2 路獨立的光伏電池 PV1、PV2，蓄電池 b、電感 L1和 L2，等效漏電感 Lk，4 個開關(guān)管 S1～S4和隔直電容 Cb。副邊電路包括 4個二極管 Do1～Do4、濾波電感 Lo、電容 Co和負(fù)載Ro。原邊電路和副邊電路通過繞組變壓器連接在一起，并通過移相控制方式實現(xiàn)能量的傳輸與控制。

圖1 四端口直流變換器

1.2 工作原理

圖1 中四端口直流變換器輸入端連接有 2 個光伏電池 PV1、PV2，它們的輸出功率為PPV1、PPV2，輸出電池電壓為UPV1、UPV2。負(fù)載端接入直流負(fù)載電阻，Po為負(fù)載端的輸入功率。根據(jù)輸入源與負(fù)載功率的大小關(guān)系，該四端口變換器工作狀態(tài)主要有 3 種：① 單輸入單輸出模式，當(dāng)PPV1+PPV2=0時，蓄電池獨自給負(fù)載供電；② 雙輸入模式，當(dāng)0＜PPV1+PPV2＜Po時，光伏電池和蓄電池同時給負(fù)載供電；③ 雙輸出模式，當(dāng)PPV1+PPV2＞Po時，光伏電池給負(fù)載供電，同時剩余的電量用于蓄電池充電。假設(shè)所有的開關(guān)管、二極管、電感、電容均為理想的電路器件，原邊隔直電容 Cb的電壓UCb為正值（左邊為正），那么研究的四端口變換器有 6 個工作模態(tài)[6]。圖 2 為變換器主要的工作波形。

圖2 開關(guān)周期的工作模態(tài)圖

從本質(zhì)上看，根據(jù)橋臂開關(guān)管的開關(guān)時序，無論四端口變換器處在哪個工作狀態(tài)[5]，都采用類似傳統(tǒng)移相全橋分析的方式，所以一個開關(guān)周期內(nèi)，變換器主要存在以下 6 種工作模態(tài)：

模態(tài) 1（t0,t1）：在t0時刻，開關(guān)管 S2、S3導(dǎo)通，開關(guān)管 S1、S4關(guān)斷。電感 L1開始充電，兩端的電壓UL1=UPV1；電感 L2線性放電，兩端的電壓UL2=UPV2－Ub。諧波電感 Lo的電流iLo自由地通過整流二極管 Do1～Do4，整流二極管全部導(dǎo)通使變壓器副邊繞組短路。當(dāng) diP/dt=﹣(Ub+UCb)/Lk時，變壓器原邊繞組電壓Up=﹣(Ub+UCb)，此時電感 Lo兩端的電壓ULo=n(Ub+UCb)－Uo，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài) 2（t1,t2）：在t1時刻，開關(guān)管 S2、S3導(dǎo)通，開關(guān)管 S1、S4關(guān)斷。電感 L1充電，兩端的電壓UL1=UPV1；電感 L2放電，兩端的電壓UL2=UPV2－Ub。此時iP=﹣niLo，變壓器的原邊繞組電壓Up=﹣(Ub+UCb)，由于二極管 Do1和 Do4承受反向偏壓，所以 Do1和 Do4相當(dāng)于斷開狀態(tài)。同時，系統(tǒng)通過變壓器主電源向負(fù)載提供能量，濾波電感 Lo的電流線性增加[6]，兩端的電壓ULo=n(Ub+UCb)－Uo，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài) 3（t2，t3）：在t2時刻，開關(guān)管 S2、S4導(dǎo)通，開關(guān)管 S1、S3關(guān)斷。電感 L1充電，兩端的電壓UL1=UPV1；電感 L2充電，兩端的電壓UL2=UPV2，iL2開始增大，應(yīng)用于變壓器原邊繞組的隔直電容Cb的電壓為UCb，變壓器的原邊繞組電壓Up=UCb，電感 Lo兩端的電壓ULo=n∣UCb∣－Uo，此工作模態(tài)結(jié)束。

模態(tài) 4（t3，t4）：在t3時刻，開關(guān)管 S1、S4導(dǎo)通，開關(guān)管 S2、S3關(guān)斷。電感 L1開始放電，兩端的電壓UL1=UPV1－Ub，電感 L2仍線性充電，兩端的電壓UL2=UPV2。iLo開始自由地通過整流二極管Do1～Do4，此時漏電感 Lk的電壓相當(dāng)于變壓器原邊繞組電壓Up=Ub－UCb，變壓器副邊電感 Lo兩端的電壓ULo=n(Ub－UCb)－Uo，此模態(tài)結(jié)束。

(5)其它類型保鮮膜。通過對多種保險涂膜處理后得到的復(fù)合膜，還有著功能互補的效果，其力學(xué)性能也能夠得到大幅度的提升，從而發(fā)揮出更加良好的保險效果。比如通過海藻酸鈉跟殼聚糖涂膜處理的模式，來對鮮切香菇進(jìn)行包裝處理，能夠讓香菇的呼吸強度、質(zhì)量損失率以及硬度等指標(biāo)得到有效的優(yōu)化，借此來保障香菇的食用質(zhì)量，而該復(fù)合保鮮膜的應(yīng)用，還能夠讓香菇的外觀保持在良好的狀態(tài)下，并充分滿足消費者的各項食用需求。

模態(tài) 5（t4，t5）：在t4時刻，開關(guān)管 S1、S4導(dǎo)通，開關(guān)管 S2、S3關(guān)斷。電感 L1繼續(xù)放電，兩端的電壓UL1=UPV1－Ub，電感 L2仍線性充電，兩端的電壓UL2=UPV2。由于二極管 Do2和 Do3承受反向偏壓，所以 Do2和 Do3相當(dāng)于斷開狀態(tài)。濾波電感電流iLo完全流通二極管 Do1和 Do4。此時變壓器原邊繞組電壓Up=Ub－UCb，變壓器副邊電感 Lo兩端的電壓ULo=n(Ub－UCb)－Uo，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài) 6（t5，t6）：在t5時刻，開關(guān)管 S1、S3導(dǎo)通，開關(guān)管 S2、S4關(guān)斷。電感 L1繼續(xù)放電，兩端的電壓UL1=UPV1－Ub；電感 L2線性放電，兩端的電壓UL2=UPV2－Ub。原邊繞組隔直電容的電壓為UCb，iL2開始減小，濾波電感 Lo的電流iLo流通 Do1和 Do4。此時變壓器原邊繞組電壓Up=－UCb，變壓器副邊電感 Lo兩端的電壓ULo=－Uo，此工作模態(tài)結(jié)束。

2 變換器輸入輸出關(guān)系分析

定義該變換器的 4 個開關(guān)管對應(yīng)的占空比信號分別為d1、d2、d3、d4，開關(guān)周期為Ts，假設(shè)一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管 S4滯后開關(guān)管 S2導(dǎo)通的延遲時間與開關(guān)周期的比值為ddelay=tdelay/Ts，其中tdelay表示模態(tài) 1 和模態(tài) 2 的工作時間之和。

由于變換器有 2 個橋臂，根據(jù)橋臂開關(guān)管的開關(guān)時序，橋臂 1 由開關(guān)管 S1和 S2組成且開關(guān)時間互補，橋臂 2 由開關(guān)管 S3和 S4組成且開關(guān)時間互補。4 個開關(guān)管的占空比分別為d1、d2、d3、d4，所以存在以下關(guān)系：

對于光伏電池和蓄電池之間的電壓關(guān)系，根據(jù)電感 L1、L2的伏秒平衡原理可得

由公式（1）和（2）可以得到

根據(jù)變壓器原邊繞組的伏秒平衡可得

由公式（3）和（4）可以得到

對于光伏電池電壓UPV1、UPV2，蓄電池電壓Ub和輸出電壓Uo之間的關(guān)系，根據(jù)濾波電感 Lo的伏秒平衡原理可得[7]

由公式（5）和（6）可以得到

上面提到開關(guān)管 S4滯后開關(guān)管 S2導(dǎo)通的延遲時間間隔用ddelay表示，由圖 2 開關(guān)周期的工作模態(tài)圖可以明顯看出

所以只有在ddelay滿足公式（8）的條件下，公式（7）才能成立。

3 變換器仿真分析

現(xiàn)在利用軟件 Saber 搭建電路[8]，進(jìn)行仿真驗證。仿真實驗參數(shù)設(shè)置如表 1 所示。由于變換器工作狀態(tài)主要有 3 種，且單輸入單輸出模式類似全橋，在這里就不多敘述了，下面主要針對雙輸入模式和雙輸出模式進(jìn)行仿真分析[6]。

表1 電路仿真參數(shù)設(shè)置

3.1 雙輸入仿真驗證

當(dāng)雙輸入模式時，由于 2 個光伏端功率之和小于負(fù)載端功率，即 0＜PPV1+PPV2＜Po。根據(jù)公式（7）可以分 2 種情況考慮。

當(dāng)電壓UPV1＜UPV2時，取UPV1= 30 V，UPV2=33 V，Ub= 72 V，d1= 0.42，d2= 0.58，d3= 0.46，d4= 0.54，由公式（5）、（7）計算可得UCb_ref= -3 V，Uo_ref= 68.92 V，得仿真波形如圖 3 所示?？梢钥闯?，UCb= -3 V，Uo= 62. 5 V，與理論計算值相符。

圖3 雙輸入仿真波形（UPV1＜UPV2）

當(dāng)電池電壓UPV1＞UPV2時，取UPV1= 33 V，UPV2= 30 V，Ub= 72 V，d1= 0.46，d2= 0.54，d3=0.42，d4= 0.58，由公式（5）、（7）計算得UCb_ref= 3 V，Uo_ref= 75 V，得到的仿真波形如圖 4 所示。可以看出，UCb= 2.2 V，Uo= 72.5 V 與理論計算值相符。

圖4 雙輸入仿真波形（UPV1＞UPV2 ）

3.2 雙輸出仿真驗證

當(dāng)雙輸出模式時，由于 2 個光伏端功率之和大于負(fù)載端功率，即PPV1+PPV2＞Po。根據(jù)公式（7），雙輸出工作模式也要分 2 種情況考慮。

當(dāng)UPV1＞UPV2時，取UPV1= 45 V，UPV2= 42 V，Ub= 72 V，d1= 0.62，d2= 0.38，d3= 0.58，d4= 0.42，由式（5）、（7）計算得UCb_ref= 3 V，Uo_ref= 55 V，得到的仿真波形如圖 5 所示?？梢钥闯?，UCb= 3.5 V，Uo= 52 V，與理論計算值相符。

圖5 雙輸出仿真波形（UPV1＞UPV2）

當(dāng)UPV1＜UPV2時，取UPV1= 42 V，UPV2= 45 V，Ub= 72 V，d1=0.58，d2= 0.42，d3= 0.62，d4= 0.38，由公式（5）、（7）計算可以得到UCb_ref=﹣3 V，Uo_ref= 63.92 V，得到的仿真波形如圖 6 所示。由圖可以看出，UCb= -2.6 V，Uo= 60 V，與理論計算值相符。

圖6 雙輸出仿真波形（UPV1＜UPV2）

4 結(jié)論

綜上，首先分析四端口變換器工作原理，然后基于伏秒平衡原理對變換器的輸入與輸出特性進(jìn)行詳細(xì)分析并推導(dǎo)出輸入與輸出電壓關(guān)系式，最后利用 Saber 搭建電路進(jìn)行實驗仿真驗證。從實驗結(jié)果上可以看出，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果相符，驗證了理論分析的正確性和有效性。

[1]宋鑫, 肖建國, 牛潔茹, 等. 一種用于新能源混合發(fā)電的移相控制三端口 DC-DC 變流器[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2015, 30(17): 36–44.

[2]劉福鑫, 阮潔, 阮新波. 一種多端口直流變換器的系統(tǒng)生成方法—采用單極性脈沖電源單元[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2012, 32(6): 72–80.

[3]張君君, 吳紅飛, 曹鋒, 等. 一種非隔離雙向三端口升降壓變換器[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2014,34(33) : 5861–5867.

[4]WU Hongfei, XU Peng, HU Haibing, et al. Multiple converters based on integration of full-bridge and bidirectional DC-DC topologies for renewable generation systems[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 61(2): 856–869.

[5]周子胡. 四端口變換器及其控制策略研究[D]. 南京航空航天大學(xué), 2013.

[6]吳紅飛. 基于功率流分析與重構(gòu)的直流變換器拓?fù)溲苌碚摵头椒╗D]. 南京航空航天大學(xué),2012.

[7]王學(xué)梅, 易根云, 岳東元, 等. 基于伏秒平衡原理的 Buck-Boost 變換器分析[J]. 電氣電子教學(xué)學(xué)報, 2012, 34(2): 61–64.

[8]喬瑛瑛, 楊嘉祥. 基于 Saber 的 Boost 電路仿真與分析[J]. 大眾科技, 2009(1): 68–69.