一种基于Sepic的多工况高增益三端口DC-DC变换器的制作方法

一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc
‑
dc变换器，具体涉及一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器。


背景技术：

2.随着能源危机、温室效应以及大气污染等全球问题的日益严重，光伏发电、燃料电池发电等新能源发电技术得到了广泛的关注和快速发展。含储能单元的新能源发电系统能够稳定新能源微电源的发电出力，提高系统供电稳定性。传统的混合型多端口变换器方案中新能源微电源和储能单元一般通过各自的dc/dc变换器与直流母线并联，虽然这种结构能够解决储能单元平衡微电源发电出力以及提高系统的供电稳定性问题，但是由于采用各自dc/dc变换器与直流母线并联式结构使储能系统每次充放电电时都要进行两次电能转换，造成电能浪费及电能利用率低等问题，且并联式结构还会增加系统设计成本以及控制器设计的复杂度。
3.另外，目前的多端口变换器大多都是基于传统boost、cuk、zeta等变换器变结构得来，因此受限于较低的升压能力，利用耦合电感实现的高增益由于存在漏感使得开关管的电压和电流应力都较大。因此，基于现有的基本dc/dc转换器进行改进，对于减少储能系统能量转换次数、提高系统能量利用率、降低系统设计成本、优化控制器设计及实现高增益和开关管的低应力具有重要意义。


技术实现要素：

4.针对上述现有技术的不足，本发明为解决储能单元并联式结构造成的能量转换次数多，能量利用率低及提高输入输出电压增益等问题。而提出了一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，该变换器实现了三端口dc/dc变换器和高增益dc/dc变换器的集成，可使新能源微电源发电冗余通过蓄电池储能单元直接存储起来，在光伏电池发电功率不足时蓄电池可以将存储的电能释放出来供负载使用。所述变换器相比于现有方案可显著减少微电源、蓄电池以及负载之间的电能转换次数，提高电能转换效率。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
7.基本sepic变换器、升压单元b，负载单元c；
8.所述基本sepic变换器包括：电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，s2，s3，二极管d1，d2，d3；
9.电感l1一端分别连接二极管d2阴极、功率开关s2源极，二极管d2阳极连接单向输出端口u
pv
正极，功率开关s2漏极分别连接储能单元u
b
正极、功率开关s3源极；
10.电感l1另一端分别连接二极管d3阳极、电容c1一端、功率开关s1漏极，二极管d3阴极连接功率开关s3漏极；
11.电容c1另一端分别连接电感l2一端、二极管d1阳极，二极管d1阴极连接电容c2一端；
电容c2另一端、电感l2另一端、功率开关s1源极、储能单元u
b
负极均连接单向输出端口u
pv
负极；
12.所述升压单元b包括：电感l
11
、二极管d
11
、电容c
11
、电容c
12
；
13.电容c
11
一端连接电容c1另一端，电容c
11
另一端分别连接电感l
11
一端、二极管d
11
阳极，电感l
11
另一端连接电容c2一端，二极管d
11
阴极与电容c
12
一端相连，电容c
12
另一端与电容c2另一端相连；
14.所述负载单元c负载r
l
；
15.负载r
l
一端分别连接二极管d
11
阴极、电容c
12
一端，负载r
l
另一端与电容c
12
另一端相连。
16.所述基本sepic变换器中，储能单元u
b
，单向输出端口u
pv
，二极管d2、d3功率开关s2，、s3，以及储能单元u
b
构成输入单元a，
17.输入单元a中，功率开关管s2、s3以及二极管d3分别构成储能单元u
b
的放电支路和充电支路；
18.当微电源发电有冗余时，单向输出端口u
pv
通过二极管d2、电感l1、二极管d3和功率开关管s3给储能单元u
b
充电，此时功率开关管s2关断；
19.当微电源发电不足或者负载r
l
功率较大时，储能单元u
b
通过功率开关管s2、电感l1、电容c1、二极管d1、电感l3和二极管d4给负载r
l
供电，此时功率开关管s2导通、s3关断。
20.本发明一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，技术效果如下：
21.1)、本发明通过改进传统的sepic变换器的结构，实现了储能单元的接入，仅包括三个开关，实现光伏发电、电池充放电和高增益输出。能同时实现sido、diso、sis0多种工作状态的切换，各个端口之间实现一次电能转换，减少能量转换次数，提高能量利用率。2)、本发明提出的新型高增益三端口dc/dc变换器，由于端口电压限制较宽松，可以灵活地设定负载电压水平，大大扩展了其应用范围。此外，由于电源和负载之间的单级功率转换，大大提高了转换器的效率。通过升压单元b同时实现输入输出电压高增益，降低了主功率开关管电压电流应力。
附图说明
22.图1是本发明电路原理图。
23.图2是本发明拓展n个升压单元电路原理图。
24.图3是传统的sepic变换器原理图。
25.图4(1)是本发明在光伏电池板siso工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的电感l1、电感l2、电感l
11
电流波形图；
26.图4(2)是本发明在光伏电池板siso工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的电容c1、c2、c
11
电压以及输出电压u0波形图；
27.图4(3)是本发明在光伏电池板siso工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的功率开关s1、s2、s3所承受的反向电压波形图；
28.图4(4)是本发明在光伏电池板siso工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的光伏板电压以及功率开关s1、s2、s3驱动波形图。
29.图5(1)是本发明在蓄电池siso工况下，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的
电感l1、电感l2、电感l
11
电流波形图；
30.图5(2)是本发明在蓄电池siso工况下，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的电容c1、c2、c
11
电压以及输出电压u0波形图；
31.图5(3)是本发明在蓄电池siso工况下，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的功率开关s1、s2、s3所承受的反向电压波形图；
32.图5(4)是本发明在蓄电池siso工况下，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的蓄电池电压以及功率开关s1、s2、s3驱动波形图。
33.图6(1)是本发明在diso工况下，输入电压u
pv
为30，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的电感l1、电感l2、电感l
11
波形图；
34.图6(2)是本发明在diso工况下，输入电压u
pv
为30，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的电容c1、c2、c
11
电压以及输出电压u0波形图；
35.图6(3)是本发明在diso工况下，输入电压u
pv
为30，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的功率开关s1、s2、s3所承受的反向电压波形图；
36.图6(4)是本发明在diso工况下，输入电压u
pv
为30，蓄电池电压u
b
为40，升压单元个数为1时的蓄电池电压、光伏板电压以及功率开关s1、s2、s3驱动波形图。
37.图7(1)是本发明在sido工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的电感l1、电感l2、电感l
11
波形图；
38.图7(2)是本发明在sido工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的电容c1、c2、c
11
电压以及输出电压u0波形图；
39.图7(3)是本发明在sido工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的功率开关s1、s2、s3所承受的反向电压波形图；
40.图7(4)是本发明在sido工况下，输入电压u
pv
为30，升压单元个数为1时的光伏板电压、蓄电池充电电流以及功率开关s1、s2、s3驱动波形图。
具体实施方式
41.下面结合附图对本发明作进一步说明。
42.如图1所示，一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，由基本sepic变换器和输入单元a，升压单元b，负载单元c组成，其内部连接关系为：
43.基本sepic变换器和输入单元a包含两个电感l1、l2，两个电容c1、c2，三个功率开关s1，s2，s3，三个二极管d1，d2，d3；其连接形式如下：电感l1的一端分别与功率开关s2的源极以及二极管d2的阴极相连，电感l1的另一端分别与二极管d3的阳极、功率开关s1的漏极以及电容c1的一端相连，电感l2的一端分别与电容c1的另一端以及二极管d1的阳极相连，电感l2的另一端分别与电容c2的另一端、功率开关s1的源极、储能单元u
b
的负极以及单向输出端口u
pv
的负极相连，电容c2的一端与二极管d1的阴极相连，二极管d2的阳极单向输出端口u
pv
的正极相连，二极管d3的阴极与功率开关s3的漏极相连，功率开关s2的漏极分别功率开关s3的源极以及储能单元u
b
的正极相连；
44.升压单元b包含电感l
11
、二极管d
11
、电容c
11
、电容c
12
；其中电容c
11
的一端分别与电容c1的另一端、二极管d1的阳极以及电感l2的一端相连，电容c
11
的另一端分别与电感l
11
的另一端以及二极管d
11
的阳极相连，电感l
11
的一端分别与电容c2的一端相连以及二极管d1的
阴极相连，二极管d
11
的阴极与电容c
12
一端相连，电容c
12
另一端与电容c2另一端相连；
45.负载单元c输出负载r
l
；其中，负载r
l
一端分别连接二极管d
11
阴极、电容c
12
一端，负载r
l
另一端分别与电容c
12
另一端、电容c2的另一端、电感l2的另一端、功率开关s1的源极、储能单元u
b
的负极以及单向输出端口u
pv
的负极相连；
46.输入单元a中，功率开关管s2、s3以及二极管d3分别构成蓄电池的放电支路和充电支路，当微电源发电有冗余时，u
pv
通过二极管d2、电感l1、二极管d3和功率开关管s3给蓄电池充电，此时功率开关管s2关断；当微电源发电不足或者负载功率较大时，蓄电池通过功率开关管s2、电感l1、电容c1、二极管d1、电感l3和二极管d4给负载供电，此时功率开关管s2导通、s3关断。
47.该变换器工作于四种不同的状态，分别为：
48.(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电，在该状态下：功率开关管s2一直关断，功率开关管s1、s3采用交错控制方式，功率开关管s3控制蓄电池的充电电压，功率开关管s3只在s1关断时导通，且s1、s3的占空比之和小于1。
49.(2)双输入单输出状态：当负载功率要求大于光伏电池发电量时，光伏电池和蓄电池同时给负载供电，在该状态下：功率开关s3一直关断，先由光伏电池供电：此时功率开关管s2关闭，给定功率开关管s1的占空比，使光伏板输出最大功率，再由蓄电池供电：此时功率开关管s2始终闭合，通过调节功率开关管s1的占空比来调节输出功率。
50.(3)单输入单输出状态：当光伏电池不能发电时，蓄电池单独给负载供电。在该状态下，功率开关管s2一直导通，s3一直关断，通过调节功率开关管s1的占空比来调节输出电压。
51.(4)单输入单输出状态：当蓄电池充满电，光伏电池单独为负载供电，在该状态下：功率开关管s2，s3一直关断，通过调节功率开关管s1的占空比来调节输出电压。
52.由图4(1)可以看出在光伏电池siso工况下电感l1、电感l2、电感l
11
电流连续，图4(2)～图4(3)表示电容c1、c2、c
11
和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图4(4)显示了光伏电池板电压以及各个开关管之间的驱动是如何控制的。
53.由图5(1)可以看出在蓄电池siso工况下电感l1、电感l2、电感l
11
电流连续，图5(2)～图5(3)表示电容c1、c2、c
11
和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图5(4)显示了蓄电池电压以及各个开关管之间的驱动是如何控制的。
54.由图6(1)可以看出在diso工况下电感l1、电感l2、电感l
11
电流连续，图6(2)～图6(3)表示电容c1、c2、c
11
和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图6(4)显示了光伏电池板电压、蓄电池电压以及各个开关管之间的驱动是如何控制的。
55.由图7(1)可以看出在sido工况下电感l1、电感l2、电感l
11
电流连续，图7(2)～图7(3)表示电容c1、c2、c
11
和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图7(4)显示了光伏电池板电压、蓄电池充电电流以及各个开关管之间的驱动是如何控制的。
56.本发明的扩展方案：还可以包括n个升压单元b：
57.一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，该变换器包括：
58.基本sepic变换器、n个升压单元b，负载单元c；
59.所述基本sepic变换器包括：电感l1、l2，电容c1、c2，功率开关s1，s2，s3，二极管d1，d2，d3；
60.电感l1一端分别连接二极管d2阴极、功率开关s2源极，二极管d2阳极连接单向输出端口u
pv
正极，功率开关s2漏极分别连接储能单元u
b
正极、功率开关s3源极；
61.电感l1另一端分别连接二极管d3阳极、电容c1一端、功率开关s1漏极，二极管d3阴极连接功率开关s3漏极；
62.电容c1另一端分别连接电感l2一端、二极管d1阳极，二极管d1阴极连接电容c2一端；电容c2另一端、电感l2另一端、功率开关s1源极、储能单元u
b
负极均连接单向输出端口u
pv
负极；
63.n个升压单元b中：
64.第一个升压单元包括：电感l
11
、二极管d
11
、电容c
11
、电容c
12
；其中：
65.电容c
11
一端连接基本sepic变换器中的电容c1另一端，电容c
11
另一端分别连接电感l
11
一端、二极管d
11
阳极，电感l
11
另一端连接电容c2一端，电容c
12
一端与二极管d
11
阴极相连，电容c
12
另一端与电容c2另一端相连；
66.第二个升压单元包括：电感l
21
、二极管d
21
、电容c
21
、电容c
22
；其中：
67.电容c
21
一端分别连接电容c
11
另一端，电容c
21
另一端分别连接二极管d
21
阳极、电感l
21
一端，电感l
21
另一端连接电容c
12
一端，电容c
22
一端与二极管d
21
阴极相连，电容c
22
另一端与电容c
12
另一端相连；
68.第三个升压单元包括：电感l
31
、二极管d
31
、电容c
31
、电容c
32
；其中：
69.电容c
31
一端分别连接电容c
21
另一端，电容c
31
另一端分别连接二极管d
31
阳极、电感l
31
一端，电感l
31
另一端连接电容c
22
一端，电容c
32
一端与二极管d
31
阴极相连，电容c
32
另一端与电容c
22
另一端相连；
70.……
依次类推：
71.第n
‑
1个升压单元包括：电感l
(n
‑
1)1
、二极管d
(n
‑
1)1
、电容c
(n
‑
1)1
、电容c
(n
‑
1)2
；其中：
72.电容c
(n
‑
1)1
一端分别连接电容c
(n
‑
2)1
另一端，电容c
(n
‑
1)1
另一端分别连接二极管d
(n
‑
1)1
阳极、电感l
(n
‑
1)1
一端，电感l
(n
‑
1)1
另一端连接电容c
(n
‑
2)2
一端，电容c
(n
‑
1)2
一端与二极管d
(n
‑
1)1
阴极相连，电容c
(n
‑
1)2
另一端与电容c
(n
‑
2)2
另一端相连；
73.第n个升压单元包括：电感l
n1
、二极管d
n1
、电容c
n1
、电容c
n2
；其中：
74.电容c
n1
一端分别连接电容c
(n
‑
1)1
另一端，电容c
n1
另一端分别连接二极管d
n1
阳极、电感l
n1
一端，电感l
n1
另一端连接电容c
(n
‑
1)2
一端，电容c
n2
一端与二极管d
n1
阴极相连，电容c
n2
另一端与电容c
(n
‑
1)2
另一端相连；
75.所述负载单元(c)包含负载r
l
；负载r
l
一端分别连接二极管d
n1
阴极、电容c
n2
一端，负载r
l
另一端与电容c
n2
另一端相连。
76.综上所述,本发明提出的一种基于sepic的多工况高增益三端口dc
‑
dc变换器，实现储能单元接入,储能单元和光伏电池之间协调工作以及输出电压高增益。通过集成式三端口dc/dc变换器解决了传统并联式结构能量利用率低和设计成高等问题,通过升压倍增单元实现输入输出高增益,降低了主功率开关管上的电压电流应力。本发明适用于含储能单元的新能源发电系统，上述实施范例仅仅是为了工作原理阐述简单而构建的多工况高增益dc/dc变换器，在实际应用中，可以根据实际情况对本方案稍作改进，达到优化效率和节约成本的目的。