一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开的一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，包括蓄电池储能系统、超级电容器储能系统和光伏发电系统三个支路，蓄电池储能系统、超级电容器储能系统和光伏发电系统的输出均为直流母线，直流母线一方面与直流负载连接，另一方面通过DC/AC变换器与交流负载连接。本实用新型采用多端口非隔离双向DC/DC变换器电路，稳定直流母线电压。该多端口变换器电路外接光伏板、蓄电池等，组成了光-蓄-超复合能源管理系统，在合理的能量管理策略下，可实现全天候和复杂气候条件下的不间断电源供电工作。引入BOOST-ZVT技术，提高功率管安全性和可靠性的同时，显著提高整机效率。
【专利说明】一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路
【技术领域】
[0001]本实用新型属于光伏-蓄电池-超级电容器复合能源的电力储能【技术领域】，具体涉及一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路。
【背景技术】
[0002]对于数据中心、工业加工生产线、医院等机构以及国防、航空航天科技等军工企业，电能质量劣化会造成巨大的损失。近年来，国内外专家学者对电力储能技术给予了极大关注，电力转换与存储技术已经在上述领域得到了广泛的应用。实用的电力储能技术主要有蓄电池储能、超级电容器储能等，功率密度与能量密度是评价储能系统特性的两个重要性能指标，其中蓄电池容量大、技术成熟稳定，但充放电速度慢、使用寿命短，超级电容作为一种新兴的储能元件，其性能介于蓄电池和静电电容器之间，具有功率密度大，循环寿命长，充放电效率高等特点，二者相得益彰弥补了各自劣势。21世纪能源危机亦是国内电价上调和造成大面积的停电事故的推手，唯一的出路便是改变目前以化石能源为主的能源结构，因此太阳能光伏发电是最具潜力的新能源利用方式之一。为解决上述问题，采用多种能量源的复合能源系统供电研究在国内外成为关注的焦点和热点之一。
[0003]目前复合能源系统的电路拓扑大致有几种:①光伏发电系统通过充放电电路连接蓄电池或超级电容器，实现全天候不间断供电，但这种方法的缺点仅利用单一的储能技术，充放电灵活性较差。②超级电容器和蓄电池混合储能中，仅将超级电容器挂在蓄电池前端，优点是兼备充放电快速性和容量性，不足之处在于能量管理策略不完善，没有利用光伏新能源；超级电容连接双向BUCK-B00ST变换器，蓄电池直接作逆变器输入，优点是；采用交错并联技术，提高变换器功率密度，缺点显而易见减小蓄电池使用寿命。③光-蓄-超复合能源管理结构，缺点是没利用蓄电池的充电特性。
实用新型内容
[0004]本实用新型的目的是提供一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，解决了现有储能系统能源单一、能量管理不完善的问题。
[0005]本实用新型所采用的技术方案是，一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，包括蓄电池储能系统、超级电容器储能系统和光伏发电系统三个支路，蓄电池储能系统、超级电容器储能系统和光伏发电系统的输出均为直流母线，直流母线一方面与直流负载连接，另一方面通过DC/AC变换器与交流负载连接。
[0006]本实用新型的特点还在于，
[0007]其中的蓄电池储能系统包括相连接的蓄电池和第一双向DC/DC变换器。
[0008]其中的超级电容器储能系统包括相连接的超级电容器和第二双向DC/DC变换器。
[0009]其中的光伏发电系统包括相连接的太阳能电池板和DC/DC变换器。
[0010]本实用新型的有益效果是:
[0011]①多端口非隔离双向DC/DC变换器组成的复合能源储能系统，实现稳定直流母线电压的目的超级电容和蓄电池互补的优良特性，充分发挥超级电容功率优势，弥补蓄电池寿命短、充放电慢等不足，对蓄电池进行保护；③此电路作为组成光-超-蓄复合能源系统的核心，由于引入光伏发电系统，可向蓄电池和超级电容器进行充电，并满足系统正常开关损耗等；④加入BOOST-ZVT，它能显著减小主开关的功耗。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是本实用新型系统框图；
[0013]图2是本实用新型电路拓扑；
[0014]图3 是双向 BUCK/B00ST-ZVT 原理图；
[0015]图4是BOOST开关时序图和主管两端电压波形图；
[0016]图5是能量管理模式图，其中，Ca)为晴天模式，(b)为多云天气模式，(c)为阴天和夜间模式，Cd)为持续阴雨天模式。
[0017]图中，1.蓄电池储能系统，2.超级电容器储能系统，3.光伏发电系统，4.蓄电池，
5.第一双向DC/DC变换器，6.太阳能电池板，7.DC/DC变换器，8.超级电容器，9.第二双向DC/DC变换器，10.直流母线，11.直流负载，12.DC/AC变换器，13.交流负载。
【具体实施方式】
[0018]本实用新型带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路的结构，如图1所示，包括蓄电池储能系统1、超级电容器储能系统2和光伏发电系统3三个支路。系统的组成和工作原理如下:
[0019]蓄电池储能系统1，由12V/38Ah铅酸蓄电池4串联连接组成，之后经过第一双向DC/DC变换器5，维持直流母线电压的稳定。第一双向DC/DC变换器5可以分别工作于BUCK模式和BOOST模式，当支路工作在BUCK模式时，蓄电池4进行充电；当工作在BOOST模式时，蓄电池4放电并向直流母线10供电。
[0020]超级电容器储能系统2，根据用户需要选择合适的超级电容器8数目，进行串并联连接。该支路工作在BUCK模式时，向超级电容器8进行充电；工作在BOOST模式时，超级电容器8通过第二双向DC/DC变换器9向直流母线10进行供电。
[0021]光伏发电系统3由太阳能电池板6和DC/DC变换器7组成，DC/DC变换器7实现最大功率点跟踪控制(MPPT)。
[0022]直流母线10可直接向直流负载13供电；也可以通过DC/AC逆变器12，将直流电转换为稳频的正弦电压，向交流负载13进行供电。蓄电池储能系统1、超级电容器储能系统2和光伏发电系统3的输出均为直流母线10，直流母线10向后连接直流负载11。DC/AC变换器12的输出就是稳频正弦电压。
[0023]图2是多端口变换器电路的拓扑，在蓄电池储能系统1、超级电容器储能系统2和光伏发电系统3的BOOST开关管两端均接入ZVT谐振网络，有效提闻电路可罪性和效率。
[0024]图3加入软开关的双向DC/DC变换器原理图。
[0025]图4是主辅功率管的驱动及主管端电压波形图，分析图中开关模态如下:开关模态1:
[0026]t0之前，S2, S3都关断，Ubat,电感L通过D1共同向Udc充电，并向负载提供能量；[0027]开关模态2:
[0028]t0时刻，辅助开关S3导通，Lr吸收能量，经过S3回到Ubat负极，Ubat,电感L通过D1继续向Ud。充电，此时1^与S2内部结电容发生谐振，S2反并联二极管导通使得k端电压降为零，即S2电压为零；
[0029]开关模态3:
[0030]tl时刻S2导通，在此阶段Ubat向电感L充电，Ud。向负载供电，实现开关的零电压开通；
[0031]开关模态4:
[0032]t2时刻，关断S3，Cr电压钳位到Udc，Lr上的能量通过D4与(；形成回路，释放能量；
[0033]开关模态5:
[0034]在t3时刻关断S2,重复上述过程，从而实现双向DC/DC电路在BOOST模式下的ZVS。
[0035]图5是复合能源储能系统的几种主要能流模型。(a)所示工作方式常出现于晴朗天气，光伏系统通过BOOST电路向直流负载供电，多余能量经双向DC/DC变换器向蓄电池和超级电容器充电。(b)常工作于多云天气，光伏板和超级电容器共同向负载供电，多余能量存储于蓄电池中。(c)该模式多为阴天或夜间，光伏系统不工作，超级电容器向负载供电，并向蓄电池充电；(d)工 作于持续阴雨天气，超级电容器已完全放电，系统仅有蓄电池给负载供电。
[0036]本实用新型带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，完成以下功能:①稳定直流母线电压实现蓄电池和超级电容器即功率型和容量型储能介质优势互补，延长蓄电池使用寿命引入光伏发电系统构成复合能源储能系统，有绿色、环保等特性加入B00ST-ZVT技术，提高系统可靠性和效率。
【权利要求】
1.一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，其特征在于，包括蓄电池储能系统(I )、超级电容器储能系统(2)和光伏发电系统(3)三个支路，蓄电池储能系统(I )、超级电容器储能系统(2)和光伏发电系统(3)的输出均为直流母线(10)，直流母线(10) —方面与直流负载(13)连接，另一方面通过DC/AC变换器(12)与交流负载(13)连接。
2.根据权利要求1所述的一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，其特征在于，所述的蓄电池储能系统(I)包括相连接的蓄电池(4)和第一双向DC/DC变换器(5)。
3.根据权利要求1所述的一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，其特征在于，所述的超级电容器储能系统(2)包括相连接的超级电容器(8)和第二双向DC/DC变换器(9)。
4.根据权利要求1所述的一种带软开关的多端口非隔离双向直流变换拓扑电路，其特征在于，所述的光伏发电系统(3)包括相连接的太阳能电池板(6)和DC/DC变换器(7)。
【文档编号】H02J7/35GK203761117SQ201420070201
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年2月18日 优先权日:2014年2月18日
【发明者】张琦, 孙向东, 张波, 安少亮, 任碧莹 申请人:西安理工大学