一种新型的高增益双输入DC-DC变换器的制作方法

一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器
技术领域
1.本发明涉及一种dc
‑
dc变换器，具体涉及一种新型的高增益双输入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平滑新能源微电源的发电出力，提高系统供电稳定性。
3.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。
4.另外，目前的多端口变换器大多都是基于传统的boost变换器变结构得来，很少能实现较高增益，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，改进现有并联式结构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：

5.针对上述现有技术的不足，本发明为重点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。而提出了一种新型的高增益双输入 dc
‑
dc变换器，实现了多端口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实用。该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；且同时也可实现2n路升压拓展。
6.本发明采取的技术方案为：
7.一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器，该变化器包括：
8.输入单元，第一升压单元，第二升压单元，负载单元；
9.所述输入单元包括：电感l1、l3、l4，电容c3、c5、c7、c8，功率开关s1、s2、s3，二极管d1、d2、d3、d4；
10.二极管d1阳极连接pv模块正极，二极管d1阴极分别连接电感l1一端、功率开关s2源极；电感l1一端分别连接功率开关s1漏极、功率开关s3漏极、电容c3一端；电容c3另一端分别连接电感l3一端、二极管d2阳极，二极管d2阴极连接电容c7一端；
11.电容c7另一端分别连接电容c8一端、电感l3另一端、二极管d4阴极、功率开关s1源极、pv模块负极；
12.功率开关s2漏极分别连接储能单元正极、二极管d3阴极，储能单元负极连接pv模块负极，二极管d3阳极连接功率开关s3源极，功率开关s3漏极连接电容c5一端，电容c5另一端分
别连接二极管d4阳极、电感l4一端，电感l4另一端连接电容c8另一端；
13.所述第一升压单元b包括：电感l2、电容c4、电容c1、二极管d5；
14.电容c4一端连接电容c3另一端，电容c4另一端分别连接电感l2一端、二极管d5阳极，二极管d5阴极连接电容c1的一端，电感l2另一端连接电容c7一端；
15.所述第二升压单元c包括：电感l5、电容c6、电容c2、二极管d6；
16.二极管d6阴极连接电容c8另一端，二极管d6阳极分别连接电容c6另一端、电感l5一端，电感l5另一端连接电容c2一端，电容c6一端连接电容c5另一端；
17.在传统的sepic和cuk转换器上分别增加了由开关s2、s3和二极管d3组成的双向功率流端口。因此，构建两个单极直流微电网的三端口变换器，并通过器件复用组合成输入单元a。其中一个输入端发生故障时，另一个输入端可以正常工作。
18.电容器c
in1
、c
in2
并联连接到pv模块和储能单元，以减少光伏电压纹波和电池充放电电流纹波。
19.二极管d1防止反向流向光伏模块。v
pv
为pv模块的电压，v
b
为双向端口连接的储能设备的电压，满足v
b
＞v
pv
。
20.输入单元a中，s2为电池放电支路开关，s3和d3为电池放电支路。当光伏电池发电有冗余时，v
pv
通过二极管d1、电感l1、开关s3和二极管d3给蓄电池充电，此时开关管s3导通，s1和s2关断。当光伏电池发电不足或者负载功率较大时，蓄电池通过开关管s2、电感l1和开关管s1给电容c1和c2充电，同时为负载供电，此时开关管s1、s2导通，s3关断。该变换器工作于三种不同的状态，分别为：
21.(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电。在sido模式下，开关s2总是关闭。开关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。电池作为输出吸收pv模块多余的能量，相当于一个升压转换器从pv端口到电池端口，所以v
b
＞v
pv
是必要的。
22.(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diso模式下，光伏组件和电池作为直流负载的输入电源，开关s3和二极管d3总是关闭的。功率开关管s1、s2采用交错控制方式，且s1、s2的占空比之和小于 1。而且v
b
＞v
pv
必须满足，以确保当开关s2是闭合时二极管d1是反向截止。
23.(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siso模式下，s3开关保持关断，s2开关保持闭合；当蓄电池不能发电时，光伏电池单独给负载供电，在siso模式下，s2和s3开关保持关断，s1开关控制输出电压。
24.本发明一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器，具有如下有益效果:
25.1)本发明通过改进传统的sepic和cuk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。
26.2)本发明提出的新型高增益双输入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。通过二极管电容升压单元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
27.图1是本发明一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器原理图。
28.图2是本发明一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器2n路升压拓展原理图。
29.图3(a)是本发明在光伏板siso工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的电感电流波形图；
30.图3(b)是本发明在光伏板siso工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的电容电压和输出电压波形图；
31.图3(c)是本发明在光伏板siso工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的开关管电压波形图；
32.图3(d)是本发明在光伏板siso工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的开关管输入信号和输入电压波形图。
33.图4(a)是本发明在蓄电池siso工况下输入电压v
pv
为50，升压单元个数为1时的电感电流波形图；
34.图4(b)是本发明在蓄电池siso工况下输入电压v
pv
为50，升压单元个数为1时的电容电压和输出电压波形图；
35.图4(c)是本发明在蓄电池siso工况下输入电压v
pv
为50，升压单元个数为1时的开关管电压波形图；
36.图4(d)是本发明在蓄电池siso工况下输入电压v
pv
为50，升压单元个数为1时的开关管输入信号和输入电压波形图。
37.图5(a)是本发明在diso工况下输入电压v
pv
为40，蓄电池电压v
b
为50，升压单元个数为1时的电感电流波形图；
38.图5(b)是本发明在diso工况下输入电压v
pv
为40，蓄电池电压v
b
为50，升压单元个数为1时的电容电压和输出电压波形图；
39.图5(c)是本发明在diso工况下输入电压v
pv
为40，蓄电池电压v
b
为50，升压单元个数为1时的开关管电压波形图；
40.图5(d)是本发明在diso工况下输入电压v
pv
为40，蓄电池电压v
b
为50，升压单元个数为1时的开关管输入信号和输入电压波形图。
41.图6(a)是本发明在sido工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的电感电流波形图；
42.图6(b)是本发明在sido工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的电容电压和输出电压波形图；
43.图6(c)是本发明在sido工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的开关管电压波形图；
44.图6(d)是本发明在sido工况下输入电压v
pv
为40，升压单元个数为1时的开关管输入信号和输入电压波形图。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
46.如图1所示，一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器，由输入单元a，升压单元b和c，
负载单元d组成，其内部连接关系为：
47.输入单元由一个基本的sepic电路和基本的cuk电路组成，包含三个电感l1、l3、l4，四个电容c3、c5、c7、c8，三个功率开关s1、s2、s3，四个二极管d1、d2、d3、d4；其连接形式如下：二极管d1的阳极与光伏输入的正极相连，阴极连接到电感l1的一端，并通过功率开关s2连接到储能单元的正极，电感l1的另一端通过功率开关s1连接到光伏输入的负极，电容c3的一端与l1的另一端和s3相连，电容c3的另一端连接到l3的一端和二极管d2的阳极，d2的阴极连接c7到光伏输入的负极，l3的另一端和二极管d4的阴极相连，同时与c8的一端和c7的另一端相连，二极管d4的阳极与l4的一端和c5的另一端相连，二极管d3的阳极与s3相连，阴极连接到储能单元正极；
48.升压单元b包含一个电感l2、一个电容c4、一个电容c1和一个二极管d5，升压单元c 包含一个电感l5、一个电容c6、一个电容c2和一个二极管d6；其连接形式如下：升压单元b中电容c4的一端与二极管d2的阳极相连，电容c4的另一端与电感l2的一端和二极管 d5的阳极相连，二极管d5的阴极连接负载；升压单元c中电容c6的一端与电感l4的一端相连，电容c6的另一端与电感l5的一端和二极管d6的阳极相连，电感l5的另一端连接负载；
49.输入单元a中，s2为电池放电支路开关，s3和d3为电池放电支路。当光伏电池发电有冗余时，v
pv
通过二极管d1、电感l1、开关s3和二极管d3给蓄电池充电，此时开关管s3导通，s1和s2关断。当光伏电池发电不足或者负载功率较大时，蓄电池通过开关管s2、电感l1和开关管s1给电容c1和c2充电，同时为负载供电，此时开关管s1、s2导通，s3关断。该变换器工作于三种不同的状态，分别为：
50.(1)单输入双输出状态：当光伏电池发电有冗余时，光伏发电同时给负载和蓄电池供电。在sido模式下，开关s2总是关闭。开关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。电池作为输出吸收pv模块多余的能量，相当于一个升压转换器从pv端口到电池端口，所以v
b
＞v
pv
是必要的。
51.(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diso模式下，光伏组件和电池作为直流负载的输入电源，开关s3和二极管d3总是关闭的。功率开关管s1、s2采用交错控制方式，且s1、s2的占空比之和小于 1。而且v
b
＞v
pv
必须满足，以确保当开关s2是闭合时二极管d1是反向截止。
52.(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siso模式下，s3开关保持关断，s2开关保持闭合；当蓄电池不能发电时，光伏电池单独给负载供电，在siso模式下，s2和s3开关保持关断，s1开关控制输出电压。
53.由图3(a)可以看出在光伏电池siso工况下电感l1、l2、l3、l4、l5电流连续，图3(b)～图3(c)表示电容c3、c4、c5、c6和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图3(d)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。显然，仿真结果与先前的理论分析一致。
54.由图4(a)可以看出在蓄电池siso工况下电感l1、l2、l3、l4、l5电流连续，图4 (b)～图4(c)表示电容c3、c4、c5、c6和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图4(d)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。显然，仿真结果与先前的理论分析一致。
55.由图5(a)可以看出在diso工况下电感l1、l2、l3、l4、l5电流连续，图5(b)～图5(c)表示电容c3、c4、c5、c6和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图5 (d)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。显然，仿真结果与先前的理论分析一致。
56.由图6(a)可以看出在sido工况下电感l1、l2、l3、l4、l5电流连续，图6(b)～图6(c)表示电容c3、c4、c5、c6和功率开关s1、s2、s3所承受的电压应力较低，图6 (d)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。显然，仿真结果与先前的理论分析一致。
57.本发明同时也可实现n路升压拓展，如图2所示：
58.一种新型的高增益双输入dc
‑
dc变换器，该变化器包括：
59.输入单元a，n个第一升压单元b，n个第二升压单元c，负载单元d；
60.所述输入单元a包括：电感l1、l3、l4，电容c3、c5、c7、c8，功率开关s1、s2、s3，二极管d1、d2、d3、d4；
61.二极管d1阳极连接pv模块正极，二极管d1阴极分别连接电感l1一端、功率开关s2源极；电感l1一端分别连接功率开关s1漏极、功率开关s3漏极、电容c3一端；电容c3另一端分别连接电感l3一端、二极管d2阳极，二极管d2阴极连接电容c7一端；
62.电容c7另一端分别连接电容c8一端、电感l3另一端、二极管d4阴极、功率开关s1源极、pv模块负极；
63.功率开关s2漏极分别连接储能单元正极、二极管d3阴极，储能单元负极连接pv模块负极，二极管d3阳极连接功率开关s3源极，功率开关s3漏极连接电容c5一端，电容c5另一端分别连接二极管d4阳极、电感l4一端，电感l4另一端连接电容c8另一端；
64.第一升压单元b包括n个升压模块：
65.第1个升压模块包括一个电感l
21
、一个电容c
41
、一个电容c
11
、一个二极管d
51
；
66.第2个升压模块包括一个电感l
22
、一个电容c
42
、一个电容c
12
、一个二极管d
52
；
67.第3个升压模块包括一个电感l
23
、一个电容c
43
、一个电容c
13
、一个二极管d
53
；
68.......依次类推；
69.第n个升压模块包括一个电感l
2n
、一个电容c
4n
、一个电容c
1n
、一个二极管d
5n
；
70.连接关系如下：
71.电容c
41
一端连接输入单元a中的电容c3另一端，电容c
41
另一端分别连接电感l
21
一端、二极管d
51
阳极，二极管d
51
阴极连接电容c
11
一端，电感l
21
另一端连接输入单元(a) 中的二极管d2阴极；
72.n个升压模块之间：
73.第2个升压模块中的电容c
42
一端连接第1个升压模块中的电容c
41
另一端，电容c
42
另一端分别连接二极管d
52
阳极、电感l
22
一端，二极管d
52
阴极连接电容c
12
一端，电感l
22
另一端连接第1个升压模块中的二极管d
51
阴极；
74.第3个升压模块中的电容c
43
一端连接第2个升压模块中的电容c
42
另一端，电容c
43
另一端分别连接二极管d
53
阳极、电感l
23
一端，二极管d
53
阴极连接电容c
13
一端，电感l
23
另一端连接第2个升压模块中的二极管d
52
阴极；
75.......依次类推；
76.第n个升压模块中的电容c
4n
一端连接第n
‑
1个升压模块中的电容c
4(n
‑
1)
另一端，电容c
4n
另一端分别连接二极管d
5n
阳极、电感l
2n
一端，二极管d
5n
阴极连接电容c
1n
一端，电感l
2n
另一端连接第n
‑
1个升压模块中的二极管d
5(n
‑
1)
阴极；
77.第二升压单元c包括n个升压部分：
78.第1个升压部分包括一个电感l
51
、一个电容c
61
、一个电容c
21
、一个二极管d
61
；
79.第2个升压部分包括一个电感l
52
、一个电容c
62
、一个电容c
22
、一个二极管d
62
；
80.......依次类推；
81.第n个升压部分包括一个电感l
5n
、一个电容c
6n
、一个电容c
2n
、一个二极管d
6n
；
82.连接关系如下：
83.电容c
61
一端连接输入单元(a)中的电容c5另一端，电容c
61
另一端分别连接电感l
51
一端、二极管d
61
阳极，二极管d
61
阴极连接电容c8一端，电感l
51
另一端连接电容c
21
一端；
84.n个升压部分之间：
85.第2个升压模块中的电容c
62
一端连接第1个升压模块中的电容c
61
另一端，电容c
62
另一端分别连接电感l
52
一端、二极管d
62
阳极，二极管d
62
阴极连接电容c
21
一端，电感l
52
另一端连接电容c
22
一端；
86.第3个升压模块中的电容c
63
一端连接第2个升压模块中的电容c
62
另一端，电容c
63
另一端分别连接电感l
53
一端、二极管d
63
阳极，二极管d
63
阴极连接电容c
22
一端，电感l
53
另一端连接电容c
23
一端；
87......依次类推；
88.第n个升压模块中的电容c
6n
一端连接第n
‑
1个升压模块中的电容c
6(n
‑
1)
另一端，电容c
6n
另一端分别连接电感l
5n
一端、二极管d
6n
阳极，二极管d
6n
阴极连接电容c
2(n
‑
1)
一端，电感l
5n
另一端连接电容c
2n
一端；
89.负载r
l
一端连接第n个升压模块中的电容c
1n
一端，负载r
l
另一端连接第n个升压部分中的电容c
2n
另一端。
90.综上所述,本发明提出的一种新型的高增益双输入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。通过集成式多端口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,通过二极管电容电感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。