面向新能源系统的准Z源多端口DC/DC变换器的制作方法

本发明涉及光伏电力系统，特别设计一种面向新能源系统的准z源多端口dc/dc变换器。

背景技术：

化石能源的开采和使用带来一系列环境问题，如温室效应等，并且化石能源的不可再生性导致了能源危机问题日益严重，因此开发和利用绿色可持续的能源是大势所趋。太阳能对地球而言，是一种取之不尽，用之不竭的能源，而光伏电力系统则可实现由太阳能到电能的转变，是太阳能成为一种绿色可持续的能源。在光伏电力系统中，光伏板的输出电压一般比较小，并且随着时间，天气和环境的变化而有较大的波动。因此在光伏电压并入电网之前，需要经过一个升压过程，将光伏板的输出电压提升到一个合适的数值。

与传统的电压变换器不同，z源变换器的桥臂允许直通状态，并具有较高的升压系数。z源逆变器不但具有升降压功能，还保留buck-boost电路的反相特性。因此z源逆变器是近几年的研究热点。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出一种面向新能源系统的准z源多端口dc/dc变换器，该准z源多端口dc/dc变换器利用z源变换器的升降压特性与多端口技术结合，设计一种双输入端口准z源dc/dc变换器。光伏板的输出电压经过z源逆变器的升压调节后可以稳定在一个合适的数值，再经由逆变器并入电网。本使用新型设计的一个双输入端口的准z源变换器其中一个输入端口以光伏板作为电源输入，而另一输入端口为电池或超级电容等储能元件。电池或超级电容在该结构中的作用类似削峰填谷，提高光伏电力系统的稳定性。当负载需求低或光伏板输出能量较高，即“供大于求”时，该结构工作于充电状态，光伏板在给负载供电的同时也对电池或超级电容充电；当负载需求较高或光伏板提供的能量不足，即“供不应求”时，该结构工作与放电状态，电池等储能元件也参与放电，为负载提供电能，弥补光伏板供能不足的情况。电池等储能元件的加入提高的光伏电力系统的稳定性。

本发明的目的通过以下技术方案实现：准z源多端口dc/dc变换器，包括依次连接的输入单元a，准z源单元b和负载单元c；所述输入单元a包括第一电源v1，第二电源v2，第一二极管d1，第一开关管s1，第二开关管s2和第三二极管d3；所述第一电源v1为可再生的直流电源，如光伏板，风电等；第二电源v2为电池或超级电容等储能元件；所述第一电源v1的正极与第一二极管d1的阳极相连；所述第一二极管d1的阴极，第一开关管s1的源极和第一电感l1的一极相连；所述第一开关管s1的漏极，第二开关管s2的源极和第二电源v2的正极相连；所述第二开关管s2的漏极和第三二极管d3的阴极相连；所述第二电源v2的负极和第一电源v1的负极相连；所述准z源单元b包括第一电感l1，第二二极管d2，第一电容c1，第二电感l2，第二电容c2和第三开关管s3；所述第一电感l1的一极，第二电容c2的负极和第二二极管d2的阳极相连；所述第二二极管d2的阴极，第一电容c1的正极和第二电感l2的一极相连；所述第二电容c2的正极，第二电感l2的另一极，第三二极管d3的阴极，第四二极管d4的阳极和第三开关管s3的漏极相连；所述负载单元c包括第四二极管d4，第三电容c3和电阻r；所述第四二极管d4的阴极，第三电容c3的正极和电阻r的一极相连；所述第三电容c3的负极，电阻r的另一极与第一电源v1的负极，第二电源v2的负极，第一电容c1的负极，第三开关管s3的源极相连。

按负载的能量需求划分，该双输入端口准z源dc/dc变换器有放电模态和充电模态，工作过程如下。

该变换器工作在放电模态时，根据开关管的工作情况可以分为两种状态。

状态i:第一开关管s1和第三开关管s3导通，第二开关管s2关断；第一二极管d1，第二二极管d2和第四二极管d4反向截止。第二电源v2和第二电容c2串联对第一电感l1放电；第一电容c1对第二电感l2放电；第三电容c3对负载电阻r放电。

状态ii：第一开关管s1导通，第二开关管s2和第三开关管s3关断；第一二极管d1反向截止，第二二极管d2和第四二极管d4正向导通。第二电源v2和第一电感l1对第一电容c1放电；第二电感对第二电容充电；第二电源v2，第一电感l1和第二电感l2对第三电容c3和负载电阻r放电。

该变换器工作在充电模态时，根据开关管的工作情况可以分为三种状态。

状态i:第一开关管s1和第二开关管s2关断，第三开关管s3导通；第一二极管d1正向导通，第二二极管d2和第四二极管d4反向截止。第一电源v1和第二电容c2串联对第一电感l1放电；第一电容c1对第二电感l2放电；第三电容c3对负载电阻r放电。

状态ii：第二开关管s1导通，第一开关管s1和第三开关管s3关断；第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3和第四二极管d4正向导通。第二电源v2，第一电容c1，第二电容c2，第三电容c3充电；第一电源v1，第一电感l1和第二电感l2放电。

状态iii：第一开关管s1，第二开关管s2和第三开关管s3关断；第一二极管d1，第二二极管d2和第三二极管d3正向导通。第一电源v1和第一电感l1对第一电容c1放电；第二电感对第二电容充电；第一电源v1，第一电感l1和第二电感l2对第三电容c3和负载电阻r放电。

本发明优点是，采用准z源结构，可实现高占空比，并且具有较大的升压因子；通过多端口技术将电池或其他储能元件与光伏板协同工作，提高光伏电力系统的稳定性。

附图说明

图1是发明所述的准z源多端口dc/dc变换器的结构图。

图2是面向准z源多端口dc/dc变换器工作于放电模态时的主要波形图，其中vg为第三开关管s3的驱动信号波形图，il1和vl1为第一电感l1的电流和电压波形图，il2和vl2为第二电感l2的电流和电压波形图，io和vo为电阻r的电流和电压波形图。

图3是面向准z源多端口dc/dc变换器工作于充电模态时的主要波形图，其中vg为第三开关管s3的驱动信号波形图，il1和vl1为第一电感l1的电流和电压波形图，il2和vl2为第二电感l2的电流和电压波形图，io和vo为电阻r的电流和电压波形图，iv2为第二电源v2的电流波形图。

具体实施方式

为进一步阐述本发明的内容及特点，以下结合附图对本发明的具体实施方案进行具体说明。

实施例

如图1所示，为面向新能源系统的准z源多端口dc/dc变换器的结构图。准z源多端口dc/dc变换器，包括输入单元a，准z源单元b和负载单元c；所述输入单元a包括第一电源v1，第二电源v2，第一二极管d1，第一开关管s1，第二开关管s2和第三二极管d3；所述第一电源v1为可再生的直流电源，如光伏板，风电等；第二电源v2为电池或超级电容等储能元件；所述第一电源v1的正极与第一二极管d1的阳极相连；所述第一二极管d1的阴极，第一开关管s1的源极和第一电感l1的一极相连；所述第一开关管s1的漏极，第二开关管s2的源极和第二电源v2的正极相连；所述第二开关管s2的漏极和第三二极管d3的阴极相连；所述第二电源v2的负极和第一电源v1的负极相连；所述准z源单元b包括第一电感l1，第二二极管d2，第一电容c1，第二电感l2，第二电容c2和第三开关管s3；所述第一电感l1的一极，第二电容c2的负极和第二二极管d2的阳极相连；所述第二二极管d2的阴极，第一电容c1的正极和第二电感l2的一极相连；所述第二电容c2的正极，第二电感l2的另一极，第三二极管d3的阴极，第四二极管d4的阳极和第三开关管s3的漏极相连；所述负载单元c包括第四二极管d4，第三电容c3和电阻r；所述第四二极管d4的阴极，第三电容c3的正极和电阻r的一极相连；所述第三电容c3的负极，电阻r的另一极与第一电源v1的负极，第二电源v2的负极，第一电容c1的负极，第三开关管s3的源极相连。

如图2所示，是面向准z源多端口dc/dc变换器工作于放电模态时的主要波形图，其中vg为第三开关管s3的驱动信号波形图，il1和vl1为第一电感l1的电流和电压波形图，il2和vl2为第二电感l2的电流和电压波形图，io和vo为电阻r的电流和电压波形图。如图3所示，是面向准z源多端口dc/dc变换器工作于充电模态时的主要波形图，其中vg为第三开关管s3的驱动信号波形图，il1和vl1为第一电感l1的电流和电压波形图，il2和vl2为第二电感l2的电流和电压波形图，io和vo为电阻r的电流和电压波形图，iv2为第二电源v2的电流波形图。

按负载的能量需求划分，该准z源多端口dc/dc变换器有放电模态和充电模态，工作过程如下。

该变换器工作在放电模态时，根据开关管的工作情况可以分为两种状态。

状态i:第一开关管s1和第三开关管s3导通，第二开关管s2关断；第一二极管d1，第二二极管d2和第四二极管d4反向截止。第二电源v2和第二电容c2串联对第一电感l1放电；第一电容c1对第二电感l2放电；第三电容c3对负载电阻r放电。

状态ii：第一开关管s1导通，第二开关管s2和第三开关管s3关断；第一二极管d1反向截止，第二二极管d2和第四二极管d4正向导通。第二电源v2和第一电感l1对第一电容c1放电；第二电感对第二电容充电；第二电源v2，第一电感l1和第二电感l2对第三电容c3和负载电阻r放电。

该变换器工作在充电模态时，根据开关管的工作情况可以分为三种状态。

状态i:第一开关管s1和第二开关管s2关断，第三开关管s3导通；第一二极管d1正向导通，第二二极管d2和第四二极管d4反向截止。第一电源v1和第二电容c2串联对第一电感l1放电；第一电容c1对第二电感l2放电；第三电容c3对负载电阻r放电。

状态ii：第二开关管s1导通，第一开关管s1和第三开关管s3关断；第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3和第四二极管d4正向导通。第二电源v2，第一电容c1，第二电容c2，第三电容c3充电；第一电源v1，第一电感l1和第二电感l2放电。

状态iii：第一开关管s1，第二开关管s2和第三开关管s3关断；第一二极管d1，第二二极管d2和第三二极管d3正向导通。第一电源v1和第一电感l1对第一电容c1放电；第二电感对第二电容充电；第一电源v1，第一电感l1和第二电感l2对第三电容c3和负载电阻r放电。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。