应用于新能源发电系统的双输入高增益直流变换器

朱艺锋，白冰洋，吴党建

(河南理工大学 电气工程及自动化学院，河南 焦作 454000)

由于石油、煤和天然气等化石燃料的过度使用以及环境污染的日益恶化，使得无污染、无噪声且资源丰富的可再生能源开发备受人们关注[1-6]。然而，大多数新能源发电系统如光伏发电、风力发电、水力发电等在很大程度上受限于地域、环境和天气情况，均存在供电不稳定、间歇性且易受气候变化的缺陷，因此通常采用新能源分布式[7]联合发电系统来保证用户的供电质量。

传统的可再生能源分布式联合发电系统中，每种新能源发电形式均需要一个独立的DC-DC 变换器来实现电能变换。输出端通过串联或者并联方式连接在直流母线上，给直流负载提供电能，导致电路复杂且成本较高。因此可以用一个多输入直流变换器(Multi-input DC-DC Converter，MIC)代替多个单输入DC-DC 变换器来简化电路结构并降低系统成本[8-12]。MIC的提出很大程度上提升了发电系统的稳定性与灵活性，实现了能源的协调供电。另外，新能源发电系统输出电压较低，这就要求新能源发电设备与负载间的MIC具有较高的电压增益[13-16]。

针对新能源发电系统对MIC 的输出电压稳定、高电压增益和易于控制的要求，本文提出了一种新型双输入直流变换器。该变换器可在两个不同的输入源情况下，根据负载要求在不同方式下工作。

1 拓扑及工作原理

图1所示为双输入高增益直流变换器拓扑，U1、U2为两个直流输入源；Co是滤波电容；Uo是输出负载电压。电容C1、C2及二极管VD3～VD7和储能电感L1、L2及开关管S3、S4构成双输入Boost型开关电路。

根据输入开关组S1、S2状态，多输入直流变换器有3种工作模式，可进行灵活调节。

如图2所示为变换器工作模式图。工作方式I时输入开关S1、S2同时导通共同为负载提供能量。工作方式II时输入开关S1、S2只导通一个，变换器工作在容错模式。若工作在方式III下则输入开关S1、S2全部断开，变换器处于关闭状态。

工作方式I如图2(a)所示，输入开关S1、S2闭合，此时U1和U2共同为负载提供能量。根据MOS开关管的工作状态，在一个周期内，变换器有2种工作模态。S3、S4的驱动信号相同即为同开同关，流过电容C1、C2的电流分别为iC1、iC2，以充电方向为正，流过电感L1、L2的电流分别为iL1、iL2。

开关模态 1 [t0～t1]如图3(a)所示，开关S1、S2、S3、S4均导通。在此阶段除了VD4外所有的二极管都截止，电感L1、L2充电，电容Co放电供给负载。

开关模态 2 [t1～t2]如图3(b)所示，开关S1、S2继续导通，S3、S4同时关断,U1—L1—C1回路、U1—L1—L2—C2回路和U1—L1—L2—R共3个回路分别流过电流。在此模态下，除了VD1、VD2和VD4截止外所有二极管均导通，电感L1、L2释放能量同时电容C1、C2充电。

工作方式 II ：如图2(b)和图2(c)所示，若其中一个输入源发生故障或变换器需要根据负载调节时，则变换器在此方式下工作。以U1单独供电为例，输入开关S1导通，S2关断，输入源U2完全与主电路断开，不在提供能量。与工作方式I的分析类似，具有相同的工作模态，只有输入电压发生变化。

开关模态1 [t0～t1]如图4(a)所示，开关S1、S3和S4导通，S2关断。在此阶段除了VD2和VD4导通外所有的二极管都截止，电感L1、L2充电，电容Co放电。

开关模态2 [t1～t2]如图4(b)所示，开关S1继续导通，S2、S3、S4关断。在此模态下，除了VD1和VD4截止外所有二极管均导通，电感释放能量。

工作方式III：输入开关S1、S2全部断开，变换器处于关闭状态，不输出电能。

2 工作特性分析

2.1 稳态电压增益

为简化电路分析，作以下假设：(1)所有功率开关和二极管均为理想器件；(2)L1=L2，且电感电流连续；(3)输出电容Co足够大，其上电压纹波可忽略，电容C1=C2，Co远大于C1、C2。

当处于工作模式I时，U1、U2串联为负载提供能量。根据电路稳态时的电感伏秒特性和电容的充放电平衡得

(1)

(2)

(3)

其中，D为开关S3、S4的占空比；Ton为变换器在模态1时S3、S4的导通时间，Ts为一个脉冲周期。

值得注意的是负载R的平均输出电压等于Co的平均输出电压，因此输出电压

(4)

工作方式 II与工作方式I相比只是输入电压发生变化，工作模态相同，当输入源U1输出电压单独工作时，得输出电压

(5)

则电压增益

(6)

利用Origin数学软件将式(6)在占空比D≤0.25时用图5表示出来，当占空比D增大时电压增益G也随之增大，当占空比D为0.25时电压增益G就能达到8。但由于储能电感寄生电阻及功率开关管通态电阻的存在，输出电压不会无限增大。

2.2 电流纹波

变换器正常工作时电感L1、L2的峰-峰值纹波电流可由以下式计算，其中fs为开关频率

(7)

(8)

2.3 电压纹波

电容C1、C2、Co两端的峰-峰值纹波电压由以下计算式求得

(9)

(10)

(11)

(12)

当电容电压纹波值ΔU小于电容平均电压时，电路方可正常运行。如果ΔU超过正常值则会由于器件承受的电压应力增大而发生击穿危险，并且还增加了系统的损耗。由式(12)可知如果要增大变换器的输出功率，可以增大电容或者提高开关频率来使电容电压纹波值稳定在小于电容平均电压的10%正常范围内。

鉴于该直流变换器的性能，其主要应用于小功率新能源分布式发电系统中，输出功率等级一般为200～2 000 W。

3 仿真结果与分析

为了验证提出的双输入升压变换器理论分析的正确性，本文基于MATLAB/Simulink 搭建了仿真模型。仿真参数为：输入电压U1=40 V，U2=40 V；开关频率fs=20 kHz；升压电感L1=L2=360 μH；占空比D=0.5；电容C1=C2=2.2 μF，Co=220 μF。

图6给出了双输入直流变换器的仿真波形，其中图6(a)给出了直流变换器在工作方式I的电压输出波形，输出电压为500 V。图6(b)和图6(c)给出了变换器在在工作方式I时电容C1、C2两端电压波形图。图6(d)和图6(e)给出了流过两电感的电流，流过电感L1的最大电流为7.2 A，流过L2的最大电流为9.3 A。电容上的电压波动较大使得流过电感电流波动也大。图6(f)为直流变换器在工作方式II只有U1供电时的输出电压波形，由于工作电压为工作方式I的一半，所以输出电压幅值也减少一半为250 V，但是两者电压增益相同。

4 结束语

本文提出了一种双输入高增益直流变换器拓扑，并分析了工作原理和工作特性，计算了在不同工作模式下的稳态电压增益和电压、电流纹波。文中通过搭建MATLAB/Simulink仿真模型证实了电路拓扑的正确性和可行性。仿真结果表明，该直流变换器电路拓扑简洁，升压能力强，占空比较小时也可输出较高的电压。另外两个输入源串联可同时为负载供电，在实现高电压输出的之余还可防止极限占空比的发生。