一種三端口高增益DC/DC變換器

王 輝， 陳 耀， 張文博

(梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室(三峽大學(xué))，湖北 宜昌 443002)

0 引言

隨著全球性能源問題日益突出，太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電形式受到廣泛的關(guān)注和研究[1]。由于光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電存在供電間歇性的問題，因此，需要引入儲能單元(如蓄電池)來平順負(fù)載功率。傳統(tǒng)含儲能單元的新能源發(fā)電系統(tǒng)，一般采用單向DC/DC變換器和雙向DC/DC變換器多級并聯(lián)式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)變換器使用數(shù)量多，導(dǎo)致設(shè)計成本增加，另外，由于各供電端口之間存在多級電能變換，導(dǎo)致電能利用率低[2-6]。

為減少變換器數(shù)量，降低系統(tǒng)設(shè)計成本，提高電能利用率，多端口DC/DC變換器(Multi-Port DC/DC Converter，MPC)近年來受到廣泛關(guān)注和研究。

多端口DC/DC變換器根據(jù)輸入輸出是否有點氣隔離可分為非隔離型MPC和隔離型MPC。文獻[7]提出了一種基于傳統(tǒng)非隔離DC/DC變換器的脈沖電壓源單元和脈沖電流源單元構(gòu)建MPC變換器的思路和方法，但所提變換器均未實現(xiàn)輸入輸出高增益變換。文獻[8]提出了一種基于開關(guān)電容的三端口DC/DC變換器，該變換器可以通過提高開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的階數(shù)，提高輸出電壓增益，但是由于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，每提高一階開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)相應(yīng)的開關(guān)管、電容和電感數(shù)量成倍增長，使得電路結(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計均較為復(fù)雜。文獻[9，10]提出一種基于耦合電感高增益TPC，通過調(diào)整耦合電感的耦合系數(shù)實現(xiàn)輸入輸出高電壓增益，但由于耦合電感漏感的影響，電路中需加入額外漏感吸收電路，使得電路結(jié)構(gòu)設(shè)計都變得較為復(fù)雜。文獻[11～13]均提出一種隔離型三端口變換器，通過采用移相控制可實現(xiàn)軟開關(guān)，但是由于存在變壓器，且橋式電路開關(guān)器件多，使變換器體積大，設(shè)計成本高。

本文提出一種具備高增益三端口DC/DC變換器，該變換器具備輸入輸出電壓增益高、電路結(jié)構(gòu)簡單及開關(guān)器件電壓應(yīng)力低等優(yōu)點。

1 工作原理

本文提出三端口高增益DC/DC變換器如圖1所示，開關(guān)管S2為蓄電池的放電支路，開關(guān)管S3和二極管VD3為蓄電池的充電支路。為簡化分析過程，作如下假設(shè)：1)電感電流iL1連續(xù)；2)電容Co、C1、C2足夠大，其電壓的紋波可忽略；3)所有器件都是理想器件，不考慮寄生參數(shù)影響；4)光伏電池、蓄電池以及輸出電壓之間的關(guān)系為upv

圖1 三端口高增益DC/DC變換器

(1)單輸入雙輸出(Single Input-Dual Output，SIDO)狀態(tài)：光伏電池發(fā)電功率大于負(fù)載功率時，光伏電池給負(fù)載同時給蓄電池充電，該狀態(tài)開關(guān)管S2一直關(guān)斷，二極管VDpv導(dǎo)通。

SIDO狀態(tài)下該變換器穩(wěn)態(tài)工作的主要波形如圖2所示，其中Q1和Q3分別表示開關(guān)S1和S3的驅(qū)動波形。

圖2 一個開關(guān)周期TS內(nèi)單輸入雙輸出主要波形圖

圖3 單輸入雙輸出開關(guān)模態(tài)等值電路

模態(tài)1[t0-t1]：等值電路如圖3(a)所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通、S3關(guān)斷，二極管VDo導(dǎo)通，VD1、VD2均關(guān)斷。uL1=upv，電流iL1上升，電容C1、C2放電。

模態(tài)2[t1-t2]：等值電路如圖3(b)所示，開關(guān)管S1關(guān)斷、S3導(dǎo)通，二極管VDo、VD1、VD2均關(guān)斷。uL1=upv-ub。電流iL1下降，upv通過電感L1、二極管VD3和開關(guān)管S3給蓄電池充電，電容C1、C2電壓uC1、uC2保持不變。

模態(tài)3[t2-t3]：等值電路如圖3(c)所示，開關(guān)管S1、S3均關(guān)斷。二極管VD1、VD2導(dǎo)通，VDo關(guān)斷。uL1=upv-uC1，電流iL1下降，電感L1放電給電容C1、C2充電，電容電壓uC1、uC2上升。

(2)光伏電池單輸入單輸出(PVSingle input-single output，PSISO)狀態(tài)：當(dāng)光伏電池發(fā)功率等于負(fù)載功率時，光伏電池單獨為負(fù)載供電，該狀態(tài)開關(guān)管S2、S3一直關(guān)斷，二極管VDpv導(dǎo)通。

PSISO狀態(tài)下變換器穩(wěn)態(tài)工作的主要波形如圖4所示，其中Q1表示開關(guān)S1的驅(qū)動波形。

圖4 一個開關(guān)周期TS內(nèi)光伏電池單輸入單輸出主要波形圖

模態(tài)1[t0-t1]：等值電路如圖5(a)所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通，二極管VD1、VD2關(guān)斷、VDo導(dǎo)通。uL1=upv，電流iL1上升，電容C1、C2放電。

模態(tài)2[t1-t2]：等值電路如圖5(b)所示，開關(guān)管S1關(guān)斷。二極管VD1、VD2導(dǎo)通，VDo關(guān)斷。uL1=upv-uC1，電流iL1下降，電感L1放電給電容C1、C2充電，電容電壓uC1、uC2上升。

圖5 光伏電池單輸入單輸出開關(guān)模態(tài)等值電路

(3)蓄電池單輸入單輸出(Battery Single Input-single Output，BSISO)狀態(tài)：當(dāng)伏電池不發(fā)電時，負(fù)載由蓄電池單獨供電，該狀態(tài)開關(guān)管S3一直關(guān)斷，S2一直導(dǎo)通，二極管VDpv關(guān)斷。

BSISO狀態(tài)下變換器穩(wěn)態(tài)工作的主要波形如圖6所示，其中Q1表示開關(guān)S1的驅(qū)動波形。

圖6 一個開關(guān)周期TS內(nèi)蓄電池單輸入單輸出主要波形圖

圖7 蓄電池單輸入雙輸出開關(guān)模態(tài)等值電路

模態(tài)1[t0-t1]：等值電路如圖7(a)所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通，二極管VD1、VD2關(guān)斷、VDo導(dǎo)通。uL1=ub，電流iL1上升，電容C1、C2放電。

模態(tài)2[t1-t2]：等值電路如圖7(b)所示，開關(guān)管S1關(guān)斷。二極管VD1、VD2導(dǎo)通，VDo關(guān)斷。uL1=ub-uC1，電流iL1下降，電感L1放電給電容C1、C2充電，電容電壓uC1、uC2上升。

2 性能分析

2.1 輸入輸出電壓關(guān)系

開關(guān)管S1和S3占空比分別為D1和D3，不同工作狀態(tài)下電感L1按秒平衡等式分別為：

(1)

各狀態(tài)下電容uC1、uC2兩端電壓為：

(2)

因此，計算出不同狀態(tài)下輸入輸出電壓關(guān)系分別為：

(3)

傳統(tǒng)Boost變換器輸出電壓增益為：

(4)

因此，本文所提變換器為傳統(tǒng)Boost變換器輸出增益的2倍。

2.2 開關(guān)器件電壓應(yīng)力

開關(guān)管S1、S2、S3的電壓應(yīng)力uS1、uS2、uS3及二極管VD1、VD2、VD3、VDpv、VDo的電壓應(yīng)力uD1、uD2、uD3、uDpv、uDo分別為：

(5)

傳統(tǒng)Boost變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力uS為：

uS=uo

(6)

因此，本文所提變換器開關(guān)管電壓應(yīng)力比傳統(tǒng)Boost變換器低。

3 實驗結(jié)果與分析

為驗證本文所提變換器的可行性，搭建了一臺額定輸出功率為320 W(負(fù)載端口額定輸出功率200 W，蓄電池額定充電功率120 W)的實驗樣機，具體參數(shù)如表1所示。

表1 實驗樣機參數(shù)

如圖8所示，為本文所搭建的高增益TPC實驗樣機以及測試平臺。

圖8 實驗樣機及測試平臺

如圖9所示，為SIDO狀態(tài)下變換器主要工作波形圖，其中從圖9(a)可得，光伏電池輸入40 V時，輸出電壓為400 V左右，且蓄電池處于充電狀態(tài)，其充電電壓為66 V左右。圖9(b)為電感電流及部分開關(guān)器件電壓波形，可得電感平均電流為7.5 A左右，所有開關(guān)器件電壓應(yīng)力均為200 V左右，與理論分析相符。

圖9 SIDO狀態(tài)變換器主要實驗波形圖

如圖10所示，為PSISO和BSISO狀態(tài)下變換器主要實驗波形圖，圖10(a)和10(b)為光伏電池單獨輸入時主要工作波形，輸入為40 V，輸出為400 V，電感電流平均值為5.7 A左右，開關(guān)器件電壓應(yīng)力為200 V。圖10(c)和10(d)為蓄電池單獨輸入時主要工作波形圖，蓄電池放電電壓為60 V，對應(yīng)輸出端口電壓為400 V，電感電流平均值為3.7 A左右，開關(guān)器件電壓應(yīng)力仍為200 V，所得實驗結(jié)果均與理論分析一致。

圖10 SISOP和SISOB狀態(tài)變換器主要實驗波形圖

如圖11為變換器各工作狀態(tài)效率曲線，各個狀態(tài)均在額定功率效率最大，小于額定功率或大于額定功率時變換器效率會相應(yīng)降低。

圖11 效率曲線圖

4 結(jié)論

本文所提一種三端口高增益DC/DC變換器，實現(xiàn)了任意兩電氣端口之間的一次電能轉(zhuǎn)換。理論分析與實驗研究表明：

(1)儲能單元和新能源微電源可分別獨立給負(fù)載供電，且新能源微電源可同時為負(fù)載和儲能單元供電。

(2)輸出電壓為傳統(tǒng)Boost變換器的兩倍，具備較高的輸出電壓增益。

(3)主功率開關(guān)器件電壓應(yīng)力相對較低，可選擇低耐壓器件以提高變換器設(shè)計成本。

綜上所述，所提變換器適用于混合式新能源發(fā)電領(lǐng)域。