應(yīng)用于光/蓄系統(tǒng)的高增益非隔離型三端口變換器?

秦 工，蔣廷耀，黃亞嫻

(1.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，湖北 宜昌 443000；2.三峽大學(xué)計算機與信息科學(xué)學(xué)院，湖北 宜昌 443000；3.湖北三峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院教務(wù)處，湖北 宜昌 443000)

可再生能源(Renewable Energy Sources，RES)的缺點之一是其間歇性的能源可用性。然而結(jié)合儲能(Energy Storage，ES)可有效緩解上述問題[1]。因此，耦合系統(tǒng)應(yīng)使用兩個電力電子變換器，其中RES的最大輸入功率、輸出電壓和電池充放電必須可控。但是，單變換器用于RES 和ES 會導(dǎo)致成本高昂且效率低下。對此，三端口變換器(Three Port Converters，TPC)可有效解決上述問題，同時具備體積小、組件少、成本效益高和動態(tài)性能好等優(yōu)勢[2]。

近期，許多學(xué)者提出并實施了不同類型的TPC，分類涉及三種類型:隔離、部分隔離和非隔離變換器[3－4]。隔離TPC 包含1 個高頻變壓器，可增加電壓增益，并將不同端口的電壓調(diào)節(jié)至所需幅值[5]。但是隔離TPC 的組件很少在潮流路徑之間共享，導(dǎo)致組件數(shù)量增加。與隔離TPC 類似，部分隔離拓撲包括用于隔離端口的高頻變壓器。隨著電壓增益的增加，變壓器的功率損耗驟增，效率無法接受。然而，非隔離型TPC 可在功率流路徑中共享元件，使得尺寸緊湊、元件數(shù)量較少。但是，輸入電源和電池直接連接到負載，這限制了非隔離TPC 的應(yīng)用。

對此，文獻[6]提出一種基于Buck-Boost 的非隔離TPC 拓撲結(jié)構(gòu)。但它僅適用于低壓場合。此外，文獻[7]通過充電泵技術(shù)與升壓變換器集成的方式，獲得較高的電壓增益。但是，該類變換器不包括雙向功率潮流路徑，因此不適于獨立應(yīng)用和與電池集成。而文獻[8－10]分別對Buck、Boost、Cuk 和Sepic 等傳統(tǒng)變換器進行了重新配置，以呈現(xiàn)具有不同優(yōu)、缺點的TPC。簡言之，上述變換器通過增加額外的二極管和開關(guān)管，使其具有雙向功率流路徑。但這類結(jié)構(gòu)的主要缺點是電壓增益低。同時，電池在一個循環(huán)中可能會有不理想的充電和放電模式。

為提升電壓增益，文獻[11]在TPC 中引入高電壓耦合電感，但耦合電感向變換器施加的漏感，增加了傳導(dǎo)損耗。文獻[12]在文獻[9]的基礎(chǔ)上通過添加兩個耦合電感、一個開關(guān)和四個二極管。元件數(shù)量雖略有增加，但是該變換器引入了軟開關(guān)技術(shù)，以減少開關(guān)損耗[13]。Haghighian 等[14]提出了一種具有兩個耦合電感和五個開關(guān)的結(jié)構(gòu)，但功率損耗較大，且控制復(fù)雜，無法量產(chǎn)。

鑒于可再生能源應(yīng)用對多端口功率變換和高增益輸出能力提出新的要求，本文提出一種基于二次型升壓變換器的新型非隔離三端口變換器，其中雙向路徑由兩個二極管和三個開關(guān)管組成。本文將二次型升壓變換器和所提的雙向路徑相集成，形成緊湊型TPC 變換器接口。所提三端口變換器為單級TPC，電池充電/放電和向負載供電可在一個周期內(nèi)完成。

1 所提變換器拓撲結(jié)構(gòu)

所提基于二次型Boost 電路的TPC 拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示，共有3 個端口:光伏輸入端口(Vin)、蓄電池端口(Vb)和直流負載端口(Vo)。該拓撲由3 個開關(guān)管(S1～S3)，5 個二極管(D1～D5)，2 個電感(L1、L2)以及2 個電容(C1、C2)組成，利用分時復(fù)用的思想，其中大多數(shù)元件在不同工作模式下實現(xiàn)了共用。開關(guān)管S1、S2、S3和二極管D4、D5提供一個雙向路徑，可實現(xiàn)光伏輸入、蓄電池和負載之間的功率流動管理。此外，變換器使用了2 個獨立的占空比分別控制光伏端輸入功率和輸出電壓。

圖1 所提TPC 的拓撲結(jié)構(gòu)

2 工作原理

2.1 工作模式

首先，定義Ppv為光伏輸入端口的功率，Pb為蓄電池端口的功率，Po為負載端口的功率，當Pb>0時，蓄電池放電，當Pb<0 時，蓄電池充電。根據(jù)Ppv、Pb和Po的大小關(guān)系，所提TPC 具有3 種工作模式:

①單輸入單輸出(Single Input Single Output，SISO)模式:此時Ppv＝Po，Pb＝0，光伏輸入功率單獨向負載供電，蓄電池端口處于停止工作的狀態(tài)，關(guān)鍵波形如圖2(a)所示。

圖2 所提TPC 關(guān)鍵工作波形

②單輸入雙輸出(Single Input Double Output，SIDO)模式:當光照充足時，此時Ppv>Po，Pb<0，光伏輸入功率為負載供電的同時對蓄電池充電，關(guān)鍵波形如圖2(b)所示。

③雙輸入單輸出(Double Input Single Output，DISO)模式:當光照較弱時，此時Ppv0，光伏輸入功率和蓄電池同時為負載供電，蓄電池供應(yīng)負載功率缺額，關(guān)鍵波形如圖2(c)所示。

為便于分析所提TPC 在不同工作模式下的模態(tài)，本文將TPC 電感L1、L2工作于連續(xù)導(dǎo)通模式，并使用恒壓直流電源作為光伏輸入電源。此外，假設(shè)所有元件均為理想元件，所有電容都足夠大，其端電壓在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)恒定。

2.2 模態(tài)分析

2.2.1 TPC 在SISO 模式下的模態(tài)

SISO 模式下TPC 作為二次型Boost 變換器工作，此模式具有2 種模態(tài)，各模態(tài)對應(yīng)的等效電路和電流路徑如圖3(a)和圖3(b)所示。

模態(tài)1[t0，t1]:如圖3(a)所示，開關(guān)管S1和S2導(dǎo)通，S3關(guān)斷，二極管D2和D5處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入電壓Vin對電感L1充電，電容C1對電感L2充電，電容C2為負載供電，電感電流iL1和iL2均線性增大，L1和L2的端電壓分別等于Vin和VC1。

模態(tài)2[t1，t2]:如圖3(b)所示，所有開關(guān)管均關(guān)斷，二極管D1和D3導(dǎo)通，其余二極管反向偏置。電感L1和L2釋放能量為負載供電，iL1和iL2均線性減小，其端電壓分別等于Vin－VC1和VC1－Vo。

對電感L1和L2使用伏秒平衡原理，可得:

式中:d1是S1和S2在模態(tài)1 下的占空比。

化簡式(1)和式(2)得式(3)和式(4)，將式(3)代入式(4)可得SISO 模式下的電壓增益如式(5)所示:

在SISO 模式下只有一個占空比d1，用于調(diào)節(jié)所提TPC 的輸出電壓。

2.2.2 TPC 在SIDO 模式下的模態(tài)

在SIDO 模式下4 種模態(tài)，各模態(tài)等效電路和電流路徑如圖3(a)～圖3(c)所示，其中模態(tài)2 和4類似。此模式下所提TPC 具有兩個占空比，可以調(diào)節(jié)光伏輸入功率和輸出電壓。

模態(tài)1[t0，t1]和模態(tài)2[t1，t2]與SISO 模式下的模態(tài)相同。

模態(tài)3[t2，t3]:如圖3(c)所示，開關(guān)S1、二極管D4、D5和D2導(dǎo)通，電感L1、L2分別由輸入電壓和電容C1充電，iL1和iL2線性上升，L1和L2的端電壓分別為Vin－Vb和VC1－Vb。輸入電壓和電容C1共同對蓄電池充電，該模態(tài)的占空比等于d2。

模態(tài)4[t3，t4]:該模態(tài)與模態(tài)2 類似，如圖3(b)。

對電感L1和L2使用伏秒平衡原理，可得:

式中:d2是模態(tài)3 的占空比。

根據(jù)式(6)和式(7)可得式(8)和式(9)，將式(8)代入式(9)可得變換器在SIDO 模式下的輸出電壓為:

當蓄電池充電時，其充電電流為:

式中:IL1、IL2分別為電感L1、L2在模態(tài)3 中的平均電流，根據(jù)安秒平衡定律，可得IL1、IL2為:

將式(12)和式(13)代入式(11)，可得蓄電池充電電流為:

因此，蓄電池的平均電流以及充電功率如下:

2.2.3 TPC 在DISO 模式下的模態(tài)

在DISO 模式下各模態(tài)等效電路和電流路徑如圖3(a)、圖3(b)和圖3(d)所示。所提TPC 在DISO 和SIDO 兩種模式下的工作原理基本相同，僅模態(tài)3 存在差異，故此處僅對模態(tài)3 進行分析。

模態(tài)3[t2，t3]:如圖3(d)所示，開關(guān)管S1、S2和S3均導(dǎo)通，二極管僅D2導(dǎo)通，其余二極管反向偏置。為了彌補功率缺額，蓄電池將放電，電感L1由輸入電壓和蓄電池共同充電，電感L2由電容C1和蓄電池共同充電，二者的端電壓分別等于Vin＋Vb和VC1＋Vb。

參照上一小節(jié)的分析，可得所提TPC 在DISO 模式下的輸出電壓為:

在該模式下，蓄電池的放電電流、電流平均值和放電功率與SIDO 模式相反，此處不再贅述。

圖4 給出了所提TPC 在不同工況下的輸出電壓曲線。設(shè)定光伏輸入電壓和蓄電池電壓分別為24 V 和12 V，蓄電池放電時將獲得更高的電壓增益，與基于傳統(tǒng)變換器的其他TPC 相比，該變換器的高電壓增益是一大優(yōu)勢。

3 比較分析

本節(jié)將所提TPC 與文獻[2]、文獻[8]和文獻[11]中提出的與本文拓撲相似的非隔離三端口變換器進行比較。主要比較因素包括元件數(shù)量、電壓增益、輸入電流連續(xù)性、是否包含雙向路徑和最大效率。比較結(jié)果如表1 所示。

表1 變換器結(jié)構(gòu)與性能對比

圖5 給出了各變換器的電壓增益曲線。該變換器的電壓增益高于文獻[11]中的變換器。此外，在較高占空比下，該變換器的電壓增益將更具優(yōu)勢。文獻[8]中的變換器雖然與所提變換器具有相同的電壓增益，但其不包含蓄電池充放電的雙向路徑，因此不能用于本文所述的光/蓄系統(tǒng)。所提變換器使用的元件數(shù)量少，可以降低功率損耗，并且在不同的工作模式下效率高，其效率高于文獻[2]與文獻[11]中的變換器。同時，在光伏應(yīng)用中，輸入電流的連續(xù)性是變換器的一個重要性能指標，與文獻[11]中的變換器相比，所提變換器具有這一優(yōu)勢。

圖5 各變換器電壓增益曲線

4 實驗驗證

為了驗證所提TCP 的正確性和控制策略的有效性，搭建了一臺100 W 的實驗樣機。具體參數(shù)為:蓄電池電壓Vb＝12 V，輸出電壓Vo＝100 V，輸入電壓Vin＝24 V，負載電阻R＝120 Ω～140 Ω，電容C1、C2為220 μF，電感L1、L2為700 μH，開關(guān)頻率fs＝25 kHz。

圖6 給出了在SISO 模式下所提TPC 的實驗波形。如圖6(a)所示，輸入電壓Vin＝24 V、輸出電壓Vo＝100 V、輸出電流Io＝0.8 A，電壓增益為4.2，變換器輸出功率為80 W。如圖6(b)所示，電感電流iL1和iL2連續(xù)，平均值分別為3.5 A 和1.7 A；開關(guān)管S1的電壓應(yīng)力約為100 V，與理論分析相符。

圖6 所提TPC 在SISO 模式下的實驗波形

在SIDO 模式下的實驗波形如圖7 所示。圖7(a)給出了開關(guān)管S1～S3的漏源極電壓和S1的驅(qū)動電壓波形，可以看出，S1具有2 個占空比，d1和d2分別等于0.35 和0.2，其最大電壓應(yīng)力為100 V，S2的最大電壓應(yīng)力約為13 V。圖7(b)給出了二極管D1～D3和電容C1的電壓波形，VC1為48 V，D1、D2、D3的電壓應(yīng)力分別為47 V、49 V、100 V。圖7(c)給出了二極管D4的電壓和蓄電池電流ib的波形，當D4導(dǎo)通時蓄電池充電，充電電流約為0.9 A，D4的電壓應(yīng)力為13 V。圖7(d)給出了電感電流和輸出電流波形，iL1和iL2的平均值分別為3.8 A 和1.9 A，Io等于0.75 A，輸出功率為75 W，充電功率為11 W，輸入功率等于91 W，符合理論分析。

圖7 所提TPC 在SIDO 模式下的實驗波形

在DISO 模式下的實驗波形如圖8 所示。d1和d2分別等于0.26 和0.22，當S2、S3導(dǎo)通時蓄電池放電，平均放電電流約為1.1 A，iL1和iL2的平均值分別為3.0 A 和1.4 A，Io等于0.83 A，變換器輸出功率為83 W，蓄電池輸出功率為13 W，輸入功率等于72 W。

圖8 所提TPC 在DISO 模式下的實驗波形

圖9 示出了所提TPC 在三種工作模式之間來回切換時的動態(tài)響應(yīng)波形圖，從圖中可以看出，切換瞬間輸出電壓會超調(diào)，但會在很短的時間延遲內(nèi)恢復(fù)到其初始值，蓄電池電流發(fā)生階躍響應(yīng)且具有較快的跟蹤速度。測試結(jié)果表明TPC 具有良好的動態(tài)性能，控制系統(tǒng)具有高速性和穩(wěn)定性。

圖9 TPC 的輸出電壓動態(tài)響應(yīng)波形

圖10 示出了在三種工作模式下，所提TPC 的效率與輸出功率的關(guān)系。在SISO 模式下TPC 的效率最高，SIDO 模式下效率最低。在一定的輸出功率下，TPC 的效率可以考慮為三種模式效率的平均值，額定功率下TPC 的效率達到了91%。可見，本文所提TPC 具有較高的效率。

圖10 所提TPC 的效率曲線

5 結(jié)論

所提三端口變換器是二次型升壓DC/DC 變換器與ES 系統(tǒng)的集成，適用于獨立光伏系統(tǒng)。由兩個二極管和三個開關(guān)控制蓄電池充電/放電。通過比較分析可知，該變換器的主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，電壓增益高。此外，變換器為單級結(jié)構(gòu)，以減少功率損耗并提高效率。實驗結(jié)果表明，所提變換器性能滿足要求。