聶 勛，馬海嘯

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210046)

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一種新型三端口變換器的研究*

聶 勛，馬海嘯

(南京郵電大學(xué)，江蘇 南京 210046)

在獨(dú)立新能源發(fā)電系統(tǒng)中，采用三端口變換器具有效率高、功率密度高、可靠性高和體積成本低等優(yōu)點(diǎn)。文中提出一種新型三端口變換器(TPC)，應(yīng)用于獨(dú)立可再生能源發(fā)電系統(tǒng)，且具有高電壓增益。該三端口變換器只使用3個(gè)開關(guān)來實(shí)現(xiàn)功率流控制，雙輸入源共用一個(gè)電感，因此，可以減小體積。此外，該變換器的轉(zhuǎn)化率也高于其他三端口變換器。給出了該三端口變換器的工作原理、穩(wěn)態(tài)分析和控制方法。為了驗(yàn)證理論分析的可行性，實(shí)現(xiàn)了以光伏電源電壓24 V、電池端口電壓48 V和一個(gè)輸出電壓400 V為原型的仿真。驗(yàn)證了理論分析的正確性和可控制策略的有效性。

三端口；直直變換器；拓?fù)?；?dú)立新能源發(fā)電系統(tǒng)

0 引言

由于全球的發(fā)展和人口的增加，能源資源變得越來越重要。使用傳統(tǒng)的能源，如化石燃料，可能會(huì)導(dǎo)致空氣污染和全球變暖。并且由于化石燃料的數(shù)量是有限的，可再生能源系統(tǒng)最近已迅速發(fā)展[1-2]。光伏(PV)系統(tǒng)是一種很受歡迎的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能、風(fēng)能等新能源發(fā)電系統(tǒng)存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)和隨環(huán)境變化等缺點(diǎn)，獨(dú)立運(yùn)行的新能源發(fā)電系統(tǒng)必須配備一定容量的儲(chǔ)能裝置以起到能量平衡和支撐作用[3]。

三端口變換器是隨著新能源發(fā)電技術(shù)的發(fā)展而提出的一類新型變換器，通過一個(gè)變換器可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低成本、低體積等優(yōu)點(diǎn)，因此，研究出一種在具有以上優(yōu)點(diǎn)的前提下，有所提高的、新型的三端口變換器不僅是如今業(yè)界討論的熱點(diǎn)，而且對(duì)實(shí)際應(yīng)用也有很大的意義[4-5]。

本文初步提出了一種新型的三端口變換器的研究，通過調(diào)整耦合電感的匝數(shù)比，在一個(gè)合理的占空比的情況下，可以同時(shí)為兩個(gè)低輸入電壓端口提供更高的轉(zhuǎn)換率。在同樣的占空比下，與傳統(tǒng)的三端口變換器相比，該變換器可以提供更高的電壓增益。從而，對(duì)三端口變換器的研究有更大的意義。

1 工作原理

1.1 標(biāo)準(zhǔn)的三端口變換器的三種不同模式

(1)單輸入單輸出(SISO)模式：如果光伏板沒有受到輻射，蓄電池單獨(dú)提供能量給負(fù)載。

(2)雙輸入單輸出(DISO)模式：光伏電源和蓄電池同時(shí)向負(fù)載提供能量。

(3)單輸入雙輸出(SIDO)模式：光伏電源提供能量給負(fù)載，剩余儲(chǔ)存在蓄電池中。

1.2 新型三端口變換器

該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，具有3個(gè)功率開關(guān)管、5個(gè)二極管、1個(gè)耦合電感、1個(gè)電感器和3個(gè)電容器。Vpv是主輸入源，Vbt是連接到一個(gè)雙向端口的次輸入源。耦合電感可以等效成勵(lì)磁電感Lm、漏電感Lk和理想的變壓器Np/Ns。電容C1可以平衡磁性電感Lm的磁場能量。二極管D1和電容C2形成無損耗緩沖器。電容C3和耦合電感副邊Ns形成一個(gè)升壓電池來提供額外的電壓增益。Vpv、VC2和VC3串聯(lián)連接以建立一個(gè)高輸出電壓。

圖1 新型三端口變換器主電路拓?fù)?/p>

為了簡化電路分析，使該變換器工作在連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)，提出了以下假設(shè)：

(1)電壓Vbt高于電壓Vpv(一個(gè)功率為250 W的光伏板的最大功率點(diǎn)電壓約為30 V，一組酸性蓄電池的電壓通常高于48 V)。

(2)電容C1、C2、C3和Co足夠大，使得可以看成恒壓源。

(3)功率MOSFET和二極管是理想的，但MOSFET的漏源寄生電容要考慮。

(4)耦合電感的匝數(shù)比為Ns/Np。

(5)耦合電感的耦合系數(shù)K=Lm/(Lm+Lk)。

1.3 單輸入單輸出模式的工作原理

模態(tài)1[t0，t1]：S3導(dǎo)通，由于漏電感Lk、耦合電感的副邊電流線性減小，因此，二極管D5仍然是開通的，二極管D3和D4都關(guān)斷。Vbt為電感L充電，Vpv、VC2和VC3串聯(lián)為輸出電容Co充電并向負(fù)載R提供能量。當(dāng)t=t1時(shí)，is=0，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2[t1，t2]：S3導(dǎo)通，D3和D5關(guān)斷，D4開通。Vbt為電感L充電，當(dāng)磁感應(yīng)電流iLm變?yōu)榱?，其方向發(fā)生變化。C1通過S3為Lm和Lk充電。C1通過副邊繞組Ns和D4為C3充電，VC3=nVC1。在t=t2時(shí)，S3關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3[t2，t3]：S3關(guān)斷，電感電流iL和漏電感電流iLk同時(shí)為開關(guān)S3的寄生電容Cds3充電。C1仍然通過Ns和D4為C3充電。當(dāng)t=t3時(shí)，Vds3=Vin+VL，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3仍然關(guān)斷，D3開通為Lk續(xù)流。副邊電流is仍然為C3充電。當(dāng)t=t4時(shí)，is=0 ，關(guān)斷D4，此模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5[t4，t5]：S3仍然截止，D5導(dǎo)通。Vbt和C1同時(shí)為L充電。耦合電感器的次級(jí)側(cè)感電壓VNs與Vpv、VC2以及VC3串聯(lián)，以便提供一個(gè)高壓輸出。L通過D3為C2充電。當(dāng)t=t5時(shí)，S3關(guān)斷，此模態(tài)結(jié)束。

1.4 雙輸入單輸出的工作原理

大部分的模態(tài)是類似于SISO的模態(tài)，主要區(qū)別是：當(dāng)S3關(guān)閉時(shí)，電感L有二級(jí)放電。

模態(tài)1[t0，t1]：S3、D1和D5開通，S1、D3、D4關(guān)斷。于是，Vpv向電感L充電，當(dāng)t=t1時(shí)，is=0，該模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)2[t1，t2]：S3、D1、D4開通，S1、D3和D5都關(guān)斷。Vpv向電感L充電，C1通過S3向Lm和Lk充電。C1通過Ns向C3充電，并且VC3=nVC1。在t=t2時(shí)S3關(guān)斷，這一模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)3[t2，t3]：在S3斷開之后，iL和iLk向Cds3充電，C1仍然通過Ns和D4向C3充電。在t=t3時(shí)Vds3=Vin+VL，這一模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3斷開，D3開通從Lk向C2回收能量。二次側(cè)電流is仍然給C3充電。在t=t4時(shí)S1開通，這個(gè)模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5[t4，t5]：S3和D1都斷開，S1和D5開通。蓄電池端口通過L給負(fù)載釋放能量，Vbt和L給C1充電，電壓Vpv、VC2、VNs和VC3串聯(lián)向C0充電，并且向負(fù)載提供能量。在t=t5時(shí)S1關(guān)斷，這一模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6[t5，t6]：S1和S3都關(guān)斷，D1、D3、D5開通。由于輸入電壓的變化，iL的負(fù)斜率再次發(fā)生變化。Vpv和L向C1充電，L通過D1和D3給C2充電。在t=t6時(shí)S3開通，這一模態(tài)結(jié)束。

1.5 單輸入雙輸出的工作原理

模態(tài)1[t1，t2]和模態(tài)2[t1，t2]：這兩種模態(tài)與雙輸入單輸出狀態(tài)下的模態(tài)1和模態(tài)2相同。

模態(tài)3[t2，t3]：S3關(guān)斷，iL和iLk向Cds3充電，S2開通，但D2是斷開的。C1仍通過Ns給C3充電。在t=t3時(shí)Vds3=Vbt，這一模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)4[t3，t4]：S3是斷開的，S2和D2開通。Vpv和L給蓄電池充電，耦合電感原邊電壓等于Vbt-Vc1，并且Vds3=Vbt。因此，二極管D3、D4和D5都是關(guān)斷的。另一方面，由于沒有電流流入理想變壓器Np/Ns，Lm可以看成一個(gè)普通的電感，并且向電池端口釋放其能量。在t=t4時(shí)S2關(guān)閉，這一模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)5[t4，t5]：S2和S3都關(guān)斷。電流iL和iLk給Cds2和Cds3充電。沒有電流流入Np/Ns，二極管D4和D5都關(guān)斷。在t=t5時(shí)Vds3=Vpv+Vc1，這個(gè)模態(tài)結(jié)束。

模態(tài)6[t5，t6]和模態(tài)7[t6，t7]：這兩種模態(tài)與雙輸入單輸出狀態(tài)下的模態(tài)4和模態(tài)6相同。

2 新型三端口變換器的穩(wěn)態(tài)分析

為了簡化分析，忽略漏電感Lk，并且分析只考慮開關(guān)在開啟和關(guān)閉狀態(tài)。DS1、DS2和DS3分別代表開關(guān)S1、S2和S3的占空比。

2.1 單輸入單輸出狀態(tài)

通過對(duì)電感L和勵(lì)磁電感Lm應(yīng)用電壓平衡原理，可以得到下面的方程：

DS3Vbt+(1-DS3)(Vbt-Vds3)=0

(1)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vds3)=0

(2)

Vc1=Vbt

(3)

于是，

Vo=Vpv+Vc2+VNs+Vc3

(4)

Vo=(1+n)/(1-DS3)*Vbt

(5)

運(yùn)用同樣的技術(shù)，可以得到單輸入雙輸出和雙輸入單輸出狀態(tài)下的電壓增益。

2.2 雙輸入單輸出狀態(tài)

DS3Vpv+DS1(Vbt-Vc2-Vpv)(1-DS3-D1)(-Vc2)=0

(6)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(7)

Vc1=Vpv+DS1(Vbt-Vpv)

(8)

于是，

圖3 用于計(jì)算開關(guān)的占空比的算法

Vo=(1+n)/(1-DS3)×[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]

(9)

2.3 單輸入雙輸出狀態(tài)

DS3Vpv+(DS2-DS3)(Vpv-Vbt)+(1-DS2)*

(-Vc2)=0

(10)

DS3Vc1+(DS2-DS3)(Vc1-Vbt)+(1-DS2)

(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(11)

Vc1=Vpv

(12)

于是，

Vo=(1+n)/(1-DS2)*[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]

(13)

比較傳統(tǒng)和新型三端口變換器的轉(zhuǎn)換率，可以明確得到：在相同占空比下，新型三端口變換器可以提供更高的電壓增益。在開關(guān)S3的電壓應(yīng)力也可以輕易獲得。

雙輸入單輸出狀態(tài)：

Vds3=[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]/(1-DS3)

(14)

單輸入雙輸出狀態(tài)：

Vds3=[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]/(1-DS2)

(15)

3 控制電路設(shè)計(jì)

該變換器的控制圖如圖2所示。在此控制方法中有3個(gè)調(diào)節(jié)器：光伏輸入電壓調(diào)節(jié)器(IVR)，蓄電池電壓調(diào)節(jié)器(BVR)，輸出電壓調(diào)節(jié)器(OVR)。在最大功率點(diǎn)，假設(shè)電池端口能夠接收來自PV端口的所有電流。IVR是一種具有擾動(dòng)觀察技術(shù)的最大功率點(diǎn)跟蹤算法。BVR和OVR是用于調(diào)節(jié)電池端口和輸出端口的電壓模式控制回路。

圖3為一個(gè)用于計(jì)算開關(guān)的占空比的算法。

如果光伏電源不能提供能源，則變換器工作在單輸入單輸出模態(tài)。在SISO模式中，開關(guān)S3是用來調(diào)節(jié)輸出電壓的，因此，Vcs3=VOVR。如果PV源開始提供能量，那么開關(guān)S3用來調(diào)節(jié)輸入電壓Vpv以及跟蹤最大功率點(diǎn)。所以，在 DISO 和SIDO模態(tài)下，都有Vcs3=VIVR。

圖2 新型三端口變換器的控制圖

因?yàn)閂IVR是用來跟蹤最大功率點(diǎn)的，所以，工作模態(tài)的確定取決于VOVR。比較VOVR和VIVR信號(hào)，如果輸出電壓的反饋電壓低于參考值，那么VOVR≥VIVR，這意味著輸出功率大于由光伏端口提供的輸入功率。因此，變換器工作在DISO模態(tài)，開關(guān)S1的控制信號(hào)Vcs1=VOVR，電池端口向輸出提供額外的能量。如果Po=Ppv， 那么VOVR=VIV，開關(guān)S1和S2都關(guān)斷，變換器可以看成一個(gè)傳統(tǒng)的兩端口變換器。

另一方面，如果VOVR≤VIVR，這意味著輸出電壓太高，額外的能量為輸出電容充電，變換器工作在SIDO模態(tài)。開關(guān)S2的控制信號(hào)Vcs2可由以下公式確定：Vcs2=(VIVR-VOVR)+VIVR。因此，開關(guān)S2的占空比隨著輸出功率的減小而增大，剩余的能量儲(chǔ)存在蓄電池中。因此，該變換器可以有一個(gè)平滑的過渡，而不會(huì)引起輸出電壓過沖。

表1 該變換器的規(guī)格

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)以上的理論分析，以圖1所示的拓?fù)錇殡娐纺Ｐ?，利用仿真軟件?yàn)證以上的原理分析。表1為該變換器的規(guī)格，表2顯示了測試的光伏板的規(guī)格。

表2 光伏板的規(guī)格

仿真結(jié)果如圖4所示，給出了新型三端口變換器電路拓?fù)涞?個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)、變壓器原邊電壓和輸出電壓的仿真波形圖，由此可看出，仿真結(jié)果與上述理論分析相符。

圖4 電路主要波形圖

5 結(jié)束語

綜上，該轉(zhuǎn)換器具有一個(gè)可再生能源的輸入端口，一個(gè)用于能量存儲(chǔ)的雙向端口和一個(gè)高電壓負(fù)載的輸出端口。在較少的功率開關(guān)、較低的匝數(shù)比、合理的占空比和一個(gè)簡單的控制方法的情況下，該轉(zhuǎn)換器可以為低輸入電壓端口提供更高的轉(zhuǎn)換率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了變換器的高增益和效率高的功能。

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Research on a novel three-port converter

Nie Xun, Ma Haixiao

(Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China)

In stand-alone renewable power system, using three-port converters has some advantages such as high efficiency, high power density, high reliability and low cost. In this paper, a novel three port converter (TPC) is proposed, which is applied to a stand-alone renewable power system with high voltage gain. This converter uses only three switches to realize power flow control, and two input sources share one inductor. Thus, the volume will be reduced. Besides, the conversion rate of the converter is also higher than that of the other three port converters. In this paper, the operation principle, steady state analysis and control method of the three port converter are presented. In order to verify the feasibility of the theoretical analysis, a prototype of the the converter with a low input voltage 24 V for photovoltaic source, a battery port voltage 48 V, and an output voltage 400 V is implemented.

three-port; dc-dc converter; topology; stand-alone renewable power system

國家自然科學(xué)資助基金(51107057)

TM461

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.012

聶勛，馬海嘯.一種新型三端口變換器的研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(13)：38-41.

2017-02-10)

聶勛(1992-)，通信作者，男，碩士研究生，主要研究方向：先進(jìn)的功率變換與控制。E-mail: 1522193687@qq.com。

馬海嘯(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。