非隔离型三端口串并联集成变流器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种非隔离型三端口串并联集成变流器拓扑，属于电力电子转换【技术领域】，所述集成变流器包括输入直流电压源Vin1和Vin2、稳压电容C1和C2、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、输出二极管DO、电感L、输出电容C以及负载R；在每个输入侧并联储能电容，同时引入第四开关单元将两个输入源相连。当光伏退出工作时，通过引入的开关管间断地为光伏侧电容充电，保持该侧输入电压稳定，进而保证负载电压稳定；当光伏能量充足时，实现了光伏端口和蓄电池端口的直接能量传递，提高了新能源的利用率。本发明具有体积小、成本低、集成度高、实现各端口间功率变换、能灵活补偿、系统稳定性可靠性高等优点。
【专利说明】非隔离型三端口串并联集成变流器
【技术领域】
[0001]本发明所涉及电力电子变换【技术领域】，尤其是一种三端口串并联集成变流器。
【背景技术】
[0002]随着电力需求量逐渐增大，化石能源的大规模开采和利用已经使得世界能源形势日趋紧张，同时化石燃料燃烧产生的大量废气造成了严重的环境污染。由于新能源具有清洁无污染、资源丰富的特点，因此利用新能源发电是解决能源开发与环境保护之间矛盾的一个重要途径。目前应用较多的新能源发电形式有风力发电、光伏发电、燃料电池发电、地热发电和潮汐发电等，但由于这些能源受环境影响和地域限制较大，其电力供应不稳定、不连续，所以通常将具有互补性的多种新能源结合起来，并配有储能装置组成新能源联合供电系统。
[0003]在传统的新能源联合供电系统中，每种能源形式通常需要一个DC/DC变换器，将各种能源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，但其结构较复杂，成本较高。另外从控制角度上来讲，各变换器在独立控制的同时也要保证与其它端口之间协调工作，因此在实际运行时必须建立各端口间的通信网络，这会增加系统的复杂性。
[0004]为了实现集中控制管理，基于多输入变换器的新能源供电系统得到越来越多的关注和应用。多输入变换器从拓扑上可以分为隔离型和非隔离型两类。隔离型多输入变换器多采用高频隔离变压器实现多个输入源以及负载的电气隔离，通过调整变压器绕组匝数实现输入源不同电压等级的匹配。然而，在不要求电气隔离的应用场合，非隔离多输入变换器可以省略变压器，不仅有助于减小系统体积，提高系统效率，也降低了磁元件使用引起的电磁干扰问题。但当前对非隔离多输入变换器的研究仅限于输入源和负载间可相互传递能量，而输入源之间不能直接传递能量。另外，一旦某个输入源退出工作，要么会加大其他输入源的负荷，要么就使负载上的电压电流不能满足安全运行要求，造成系统停机，严重时还会损坏设备。故此类拓扑的稳定性和灵活性不强，对新能源的利用率不是很高，应用范围有较大局限性，因此寻求一种能实现输入源之间直接传递能量并且具备灵活的补偿和容错方案的非隔离型拓扑具有重要意义。
【发明内容】
[0005]本发明目的在于提供一种能实现输入源之间直接传递能量并具备灵活的补偿和容错方案的非隔离型三端口串并联集成变流器。
[0006]为实现上述目的，采用了以下技术方案:本发明所述集成变流器包括第一输入直流电压源Vinl、第二输入直流电压源Vin2、第一输入稳压电容C1、第二输入稳压电容C2、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、输出二极管Dp电感L、输出电容C以及负载R ;
[0007]所述第一开关单元包括二极管D1和第一主开关S1 ;第一输入直流电压源Vinl与电容C1并联，电容C1的正极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接第一主开关S1的集电极，第一主开关S1的发射极连接电容C1的负极；
[0008]所述的第二开关单元包括二极管D2和第二主开关S2 ;第二输入直流电压源Vin2与电容C2并联，电容C2的正极与第二主开关S2的集电极连接，电容C2的负极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与第二主开关S2的发射极连接；第二主开关S2的发射极与第一主开关集电极连接；
[0009]所述第三开关单元包括二极管D3和第三主开关S3 ;第三主开关S3的发射极与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极与第二开关单元中第二主开关S2的集电极连接；第三主开关S3的集电极分别与电感L的一端和输出二极管％的阳极连接，电感L另一端分别连接第一输入直流电压源Vinl的正极和二极管D1的阴极；输出二极管％的阴极分别连接输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C和负载R的另一端分别连接第二输入直流电压源Vin2的负极、二极管D2的阳极、电容C2的阴极；
[0010]所述第四开关单元包括第四主开关S4和二极管D4 ;第四主开关S4的发射极连接二极管D4的阳极，第四主开关S4的集电极连接第一输入直流电压源Vinl的负极；二极管D4的阴极连接第二输入直流电压源Vin2的负极。
[0011]与现有技术相比，本发明具有如下优点:
[0012]1、拓扑中只有一个磁性电感元件，有效减小系统体积与成本，集成度高，能够实现各端口之间的单级功率变换，具备较高的系统效率；
[0013]2、兼有输入源串并联的工作状态，适应可再生能源随机性和间歇性发电的特点，具有灵活补偿功能；
[0014]3、光伏端口和蓄电池端口的直接能量传递，适用于蓄电池电压小于负载电压的场合，可有效减少蓄电池的串联数目，避免因单个蓄电池损坏而造成系统崩溃的危险，有效提高系统可靠性；
[0015]4、可利用在新能源联合供电系统中，减小了新能源供电不稳定对负载带来的影响，同时也提高了系统对新能源的利用率，符合环保节能要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的电气原理图；
[0017]图2是本发明在双输入模式下的工作模态图；
[0018]图3是本发明在双输入模式下的工作波形图；
[0019]图4是本发明在双输出模式下的工作模态图；
[0020]图5是本发明在双输出模式下的工作波形图；
[0021]图6是本发明在充电模式下的工作过程图；
[0022]图7是本发明在充电模式下的工作波形图；
[0023]图8是本发明的能量管理示意图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图与【具体实施方式】对本发明做进一步说明。
[0025]如图1所示的本发明电气原理图中，本发明所述集成变流器包括第一输入直流电压源Vinl、第二输入直流电压源Vin2、第一输入稳压电容C1、第二输入稳压电容C2、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、输出二极管Dy电感L、输出电容C以及负载R;
[0026]所述第一开关单元包括二极管D1和第一主开关S1 ;第一输入直流电压源Vinl与电容C1并联，电容C1的正极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接第一主开关S1的集电极，第一主开关S1的发射极连接电容C1的负极；
[0027]所述的第二开关单元包括二极管D2和第二主开关S2 ;第二输入直流电压源Vin2与电容C2并联，电容C2的正极与第二主开关S2的集电极连接，电容C2的负极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与第二主开关S2的发射极连接；第二主开关S2的发射极与第一主开关集电极连接；
[0028]所述第三开关单元包括二极管D3和第三主开关S3 ;第三主开关S3的发射极与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极与第二开关单元中第二主开关S2的集电极连接；第三主开关S3的集电极分别与电感L的一端和输出二极管％的阳极连接，电感L另一端分别连接第一输入直流电压源Vinl的正极和二极管D1的阴极；输出二极管％的阴极分别连接输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C和负载R的另一端分别连接第二输入直流电压源Vin2的负极、二极管D2的阳极、电容C2的阴极；
[0029]所述第四开关单元包括第四主开关S4和二极管D4 ;第四主开关S4的发射极连接二极管D4的阳极，第四主开关S4的集电极连接第一输入直流电压源Vinl的负极；二极管D4的阴极连接第二输入直流电压源Vin2的负极。
[0030]在变流器中，第一输入直流电压源Vinl接光伏电池、风力发电单元等可再生能源，第二输入直流电压源Vin2接蓄电池、超级电容等储能装置，且Vin^VfVinP假设可再生能源输入功率为Pinl，负载 功率为P。。假设当Pinl〈P。时，光伏电池和蓄电池共同向负载供电，变流器等效于双输入变换器(DIC)。在该模式下，第三主开关S3和第四主开关S4—直关断，根据第一主开关S1与第二 S2的开关状态，变换器共有4种开关模态。
[0031 ] 各模态等效电路如图2所示。
[0032]模态1:如图2a所示，第一主开关S1、第二主开关S2导通，此时光伏和蓄电池串联供电，电感电流k线性增加。
[0033]模态I1:如图2b所示，第一主开关S1开通，第二主开关S2关断，电感电流L在光伏作用下线性增加。
[0034]模态II1:如图2c所示，第二主开关S2开通，第一主开关S1关断，电感电流k在蓄电池作用下线性减小。
[0035]模态IV:如图2d所示，第一主开关S1、第二主开关S2都关断，电感电流k线性减小。
[0036]如图3所示，第一主开关S1、第二主开关S2在双输入模式下的占空比分别为dpdy当Cl1M2时，一个开关周期内，变换器依次经历模态1、2、4 ;当ClZd2时，一个开关周期内，变换器依次经历模态1、3、4。该模式下，通过调节第一主开关S1的占空比Cl1来控制光伏输出功率，通过调节第二主开关S2的占空比d2来控制蓄电池的放电功率，维持负载电压稳定。
[0037]当Pinl>P。时，光伏给负载供电的同时给蓄电池充电，变流器等效于双输出变换器(DOC)。在该模式下，第二主开关S2和第四主开关S4 —直关断，根据第一主开关S1与第三主开关S3的开关状态，变换器共有3种开关模态，各模态等效电路如图4所示。[0038]模态1:如图4a所不,第一主开关S1、第三主开关S3导通,光伏为蓄电池充电，电感电流k线性增加。
[0039]模态I1:如图4b所示，第一主开关S1开通，第三主开关S3关断，光伏为负载供电，电感电流k线性增加。
[0040]模态II1:如图4c所示，第一主开关S1、第三主开关S3都关断，电感电流k线性减小。
[0041]如图5所示，第一主开关S1、第三主开关S3在双输出模式下的占空比分别为dpdy该模式下，通过调节第一主开关S1的占空比Cl1来控制光伏输出功率，通过调节第三主开关S3的占空比d3来控制蓄电池的充电功率，维持负载电压稳定。
[0042]当光伏由于环境因素或自身故障不能输出能量，即Pinl=O时，蓄电池与电容C1构成串并联形式向负载供电，是变流器特有的充电模式。在该模式下，第三主开关S3 —直关断，第二主开关S2 —直开通。根据第一主开关S1与第四主开关S4的开关状态，变换器共有2种开关模态，各模态等效电路如图6所示。
[0043]模态1:如图6a所示，第四主开关S4导通，第一主开关S1关断，蓄电池向负载供电的同时通过S2 — D1 — D4 — S4构成的回路给电容C1充电，电感电流k在蓄电池作用下线性减小。
[0044]模态I1:如图6b所示，第一主开关S1导通，第四主开关S4关断，蓄电池和电容C1串联向负载供电，电感电流k线性上升。
[0045]如图7所示，第一主开关S1在充电模式下的占空比为屯。该模式下，通过调节第一主开关S1的占空比(I1来维持负载电压稳定。
[0046]如图8所示，根据本发明的能量管理示意图，在非隔离型三端口串并联集成变流器中，采用主从控制方式实现两路输入源的输入功率分配:
[0047](I)当光伏提供的能量不足以满足负载需要时，保证光伏尽可能多的发出能量，剩余能量由蓄电池补充。此时，多路选择开关MUXl和MUX2的输出端Λ。』。』。分别与AX、BX、CX相连。电流调节器用于控制S1的占空比Cl1，进而控制光伏输出功率，电压调节器用于控制S2的占空比d2，从而稳定输出电压。
[0048](2)当光伏提供的能量大于负载需要时，光伏单独向负载供电，剩余能量向蓄电池传递。此时，多路选择开关MUXl和MUX2的输出端A。、B。、C0分别与AY、BY、CY相连。电流调节器用于控制S1的占空比Cl1，进而控制光伏输出功率，电压调节器用于控制S3的占空比d3，从而稳定输出电压。
[0049](3)当光伏由于环境因素或自身故障不能输出能量时，负载功率完全由蓄电池提供，电容与电源配合向负载供电。此时，多路选择开关MUXl和MUX2的输出端A^B^C。分别与AZ、BZ、CZ相连。该模式下电流调节器停止工作，仅由电压调节器构成单闭环系统。此时控制S2常通，调节S1的占空比以保证输出电压稳定，S4的驱动信号由逻辑电路产生。
【权利要求】
1.一种非隔离型三端口串并联集成变流器，其特征在于:所述集成变流器包括第一输入直流电压源Vinl、第二输入直流电压源Vin2、第一输入稳压电容C1、第二输入稳压电容c2、第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、输出二极管Dy电感L、输出电容C以及负载R ； 所述第一开关单兀包括二极管D1和第一主开关S1 ;第一输入直流电压源Vinl与电容C1并联，电容C1的正极连接二极管D1的阴极，二极管D1的阳极连接第一主开关S1的集电极，第一主开关S1的发射极连接电容C1的负极； 所述的第二开关单元包括二极管D2和第二主开关S2 ;第二输入直流电压源Vin2与电容C2并联，电容C2的正极与第二主开关S2的集电极连接，电容C2的负极与二极管D2的阳极连接，二极管D2的阴极与第二主开关S2的发射极连接；第二主开关S2的发射极与第一主开关S1的集电极连接； 所述第三开关单元包括二极管D3和第三主开关S3 ;第三主开关S3的发射极与二极管D3的阳极连接，二极管D3的阴极与第二开关单元中第二主开关S2的集电极连接；第三主开关S3的集电极分别与电感L的一端和输出二极管％的阳极连接，电感L另一端分别连接第一输入直流电压源Vinl的正极和二极管D1的阴极；输出二极管％的阴极分别连接输出电容C的正极和负载R的一端，输出电容C和负载R的另一端分别连接第二输入直流电压源Vin2的负极、二极管D2的阳极、电容C2的阴极； 所述第四开关单元包括第四主开关S4和二极管D4 ;第四主开关S4的发射极连接二极管D4的阳极，第四主开关S4的集电极连接第一输入直流电压源Vinl的负极；二极管D4的阴极连接第二输入直流电压源Vin2的负极。
【文档编号】H02M3/06GK104038049SQ201410134366
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年4月4日 优先权日:2014年4月4日
【发明者】孙孝峰, 周悦, 李昕 申请人:燕山大学