一种三端口高增益DC/DC变换器

2018-09-07张文博

电力科学与工程 2018年8期

王辉，陈耀，张文博

(梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室(三峡大学)，湖北宜昌 443002)

0 引言

随着全球性能源问题日益突出，太阳能、风能等新能源发电形式受到广泛的关注和研究[1]。由于光伏发电和风力发电存在供电间歇性的问题，因此，需要引入储能单元(如蓄电池)来平顺负载功率。传统含储能单元的新能源发电系统，一般采用单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器多级并联式结构，该结构变换器使用数量多，导致设计成本增加，另外，由于各供电端口之间存在多级电能变换，导致电能利用率低[2-6]。

为减少变换器数量，降低系统设计成本，提高电能利用率，多端口DC/DC变换器(Multi-Port DC/DC Converter，MPC)近年来受到广泛关注和研究。

多端口DC/DC变换器根据输入输出是否有点气隔离可分为非隔离型MPC和隔离型MPC。文献[7]提出了一种基于传统非隔离DC/DC变换器的脉冲电压源单元和脉冲电流源单元构建MPC变换器的思路和方法，但所提变换器均未实现输入输出高增益变换。文献[8]提出了一种基于开关电容的三端口DC/DC变换器，该变换器可以通过提高开关电容网络的阶数，提高输出电压增益，但是由于开关电容网络结构复杂，每提高一阶开关电容网络相应的开关管、电容和电感数量成倍增长，使得电路结构和控制器设计均较为复杂。文献[9，10]提出一种基于耦合电感高增益TPC，通过调整耦合电感的耦合系数实现输入输出高电压增益，但由于耦合电感漏感的影响，电路中需加入额外漏感吸收电路，使得电路结构设计都变得较为复杂。文献[11～13]均提出一种隔离型三端口变换器，通过采用移相控制可实现软开关，但是由于存在变压器，且桥式电路开关器件多，使变换器体积大，设计成本高。

本文提出一种具备高增益三端口DC/DC变换器，该变换器具备输入输出电压增益高、电路结构简单及开关器件电压应力低等优点。

1 工作原理

本文提出三端口高增益DC/DC变换器如图1所示，开关管S2为蓄电池的放电支路，开关管S3和二极管VD3为蓄电池的充电支路。为简化分析过程，作如下假设：1)电感电流iL1连续；2)电容Co、C1、C2足够大，其电压的纹波可忽略；3)所有器件都是理想器件，不考虑寄生参数影响；4)光伏电池、蓄电池以及输出电压之间的关系为upv

图1 三端口高增益DC/DC变换器

(1)单输入双输出(Single Input-Dual Output，SIDO)状态：光伏电池发电功率大于负载功率时，光伏电池给负载同时给蓄电池充电，该状态开关管S2一直关断，二极管VDpv导通。

SIDO状态下该变换器稳态工作的主要波形如图2所示，其中Q1和Q3分别表示开关S1和S3的驱动波形。

图2 一个开关周期TS内单输入双输出主要波形图

图3 单输入双输出开关模态等值电路

模态1[t0-t1]：等值电路如图3(a)所示，开关管S1导通、S3关断，二极管VDo导通，VD1、VD2均关断。uL1=upv，电流iL1上升，电容C1、C2放电。

模态2[t1-t2]：等值电路如图3(b)所示，开关管S1关断、S3导通，二极管VDo、VD1、VD2均关断。uL1=upv-ub。电流iL1下降，upv通过电感L1、二极管VD3和开关管S3给蓄电池充电，电容C1、C2电压uC1、uC2保持不变。

模态3[t2-t3]：等值电路如图3(c)所示，开关管S1、S3均关断。二极管VD1、VD2导通，VDo关断。uL1=upv-uC1，电流iL1下降，电感L1放电给电容C1、C2充电，电容电压uC1、uC2上升。

(2)光伏电池单输入单输出(PVSingle input-single output，PSISO)状态：当光伏电池发功率等于负载功率时，光伏电池单独为负载供电，该状态开关管S2、S3一直关断，二极管VDpv导通。

PSISO状态下变换器稳态工作的主要波形如图4所示，其中Q1表示开关S1的驱动波形。

图4 一个开关周期TS内光伏电池单输入单输出主要波形图

模态1[t0-t1]：等值电路如图5(a)所示，开关管S1导通，二极管VD1、VD2关断、VDo导通。uL1=upv，电流iL1上升，电容C1、C2放电。

模态2[t1-t2]：等值电路如图5(b)所示，开关管S1关断。二极管VD1、VD2导通，VDo关断。uL1=upv-uC1，电流iL1下降，电感L1放电给电容C1、C2充电，电容电压uC1、uC2上升。

图5 光伏电池单输入单输出开关模态等值电路

(3)蓄电池单输入单输出(Battery Single Input-single Output，BSISO)状态：当伏电池不发电时，负载由蓄电池单独供电，该状态开关管S3一直关断，S2一直导通，二极管VDpv关断。

BSISO状态下变换器稳态工作的主要波形如图6所示，其中Q1表示开关S1的驱动波形。

图6 一个开关周期TS内蓄电池单输入单输出主要波形图

图7 蓄电池单输入双输出开关模态等值电路

模态1[t0-t1]：等值电路如图7(a)所示，开关管S1导通，二极管VD1、VD2关断、VDo导通。uL1=ub，电流iL1上升，电容C1、C2放电。

模态2[t1-t2]：等值电路如图7(b)所示，开关管S1关断。二极管VD1、VD2导通，VDo关断。uL1=ub-uC1，电流iL1下降，电感L1放电给电容C1、C2充电，电容电压uC1、uC2上升。

2 性能分析

2.1 输入输出电压关系

开关管S1和S3占空比分别为D1和D3，不同工作状态下电感L1按秒平衡等式分别为：

(1)

各状态下电容uC1、uC2两端电压为：

(2)

因此，计算出不同状态下输入输出电压关系分别为：

(3)

传统Boost变换器输出电压增益为：

(4)

因此，本文所提变换器为传统Boost变换器输出增益的2倍。

2.2 开关器件电压应力

开关管S1、S2、S3的电压应力uS1、uS2、uS3及二极管VD1、VD2、VD3、VDpv、VDo的电压应力uD1、uD2、uD3、uDpv、uDo分别为：

(5)

传统Boost变换器开关管电压应力uS为：

uS=uo

(6)

因此，本文所提变换器开关管电压应力比传统Boost变换器低。

3 实验结果与分析

为验证本文所提变换器的可行性，搭建了一台额定输出功率为320 W(负载端口额定输出功率200 W，蓄电池额定充电功率120 W)的实验样机，具体参数如表1所示。

表1 实验样机参数

如图8所示，为本文所搭建的高增益TPC实验样机以及测试平台。

图8 实验样机及测试平台

如图9所示，为SIDO状态下变换器主要工作波形图，其中从图9(a)可得，光伏电池输入40 V时，输出电压为400 V左右，且蓄电池处于充电状态，其充电电压为66 V左右。图9(b)为电感电流及部分开关器件电压波形，可得电感平均电流为7.5 A左右，所有开关器件电压应力均为200 V左右，与理论分析相符。

图9 SIDO状态变换器主要实验波形图

如图10所示，为PSISO和BSISO状态下变换器主要实验波形图，图10(a)和10(b)为光伏电池单独输入时主要工作波形，输入为40 V，输出为400 V，电感电流平均值为5.7 A左右，开关器件电压应力为200 V。图10(c)和10(d)为蓄电池单独输入时主要工作波形图，蓄电池放电电压为60 V，对应输出端口电压为400 V，电感电流平均值为3.7 A左右，开关器件电压应力仍为200 V，所得实验结果均与理论分析一致。