一种三端口变换器及其控制方法

本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种三端口变换器及其控制方法。

背景技术：

随着能源危机与环境污染的日益加剧，光伏发电技术受到各国政府和企业的广泛关注。由于太阳能具有波动性和随机性，离网型光伏发电系统需要配备蓄电池来储存和调节电能，保证向负载(如直流变换器、逆变器、直流微网等)连续稳定供电，且实现光伏组件的最大功率点跟踪(maximumpawerpointtracking,mppt)控制和蓄电池的充放电控制。由于离网型光伏发电系统具有光伏、蓄电池和负载三个端口。故常采用三端口变换器作为主电路拓扑，以减少器件数量，降低成本。光伏电池输出电压较低，且波动范围较大，三端口变换器需具备较高的电压增益才能满足负载侧电压要求。现有技术中具有高增益能力的三端口变换器普遍存在器件数量多、体积和重量大等缺点。如果基于现有技术，通过增加开关频率来提高功率密度，开关损耗将是瓶颈。采用软开关技术，可以减小或消除开关损耗，从而解除开关频率的制约，而且可以解决宽禁带型器件应用的开关震荡和开关应力难题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种三端口变换器及其控制方法，其器件数量少，成本低，体积小，结构简单，且具有较高的升压能力，可以实现三个端口间功率流的灵活控制，且能够实现所有开关管的零电压开通(zerovoltageswitching,zvs)，以及二极管d2的自然关断，有效提高了离网型光伏发电系统的集成度及变换效率。

本发明提供了一种三端口变换器，所述三端口变换器的三个端口分别与光伏组件、蓄电池和负载连接，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、第一电感和第二电感；所述光伏组件的正极与所述第一电感的第一端、所述第一二极管的阳极、所述第一电容的第一端连接；所述第一二极管的阴极与所述第二二极管的阴极、所述第二电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述蓄电池负极、所述第二二极管的阳极连接；所述蓄电池正极与所述第一开关管的漏极、所述第二开关管的源极、所述第二电感的第二端连接；所述第二开关管的漏极与所述第二电容的第一端、所述负载的正极连接；所述光伏组件的负极与所述第一电容的第二端、所述第一开关管的源极、所述第二电容的第二端、所述负载的负极连接。

优选的，所述第一开关管和所述第二开关管均为mos管。

优选的，本发明提供的三端口变换器还包括mppt控制支路、负载恒压控制支路、调制单元；所述mppt控制支路用于获取所述光伏组件的输出电压和输出电流，产生第一控制信号，所述第一控制信号用于实现所述光伏组件的最大功率点跟踪控制；所述负载恒压控制支路用于获取所述负载的端电压，产生第二控制信号，所述第二控制信号用于实现所述负载恒压控制；所述调制单元用于根据所述第一控制信号和所述第二控制信号产生所述第一开关管和所述第二开关管的驱动信号。

优选的，本发明提供的三端口变换器中，所述调制单元包括压频转换器、比较器和反相器；所述压频转换器用于将所述第一控制信号转化为三角载波信号；所述比较器用于将所述第二控制信号与所述三角载波信号进行比较，得到所述第二开关管的驱动信号；所述反相器用于将所述第二开关管的驱动信号取反，得到所述第一开关管的驱动信号。

本发明还提供了一种三端口变换器的控制方法，具体为：控制所述第一电感和所述第二电感分别工作在电流双向连续导通模式和电流断续模式；获取所述光伏组件的输出电压以及所述光伏组件的输出电流，产生第一控制信号；获取所述负载的端电压，产生第二控制信号；根据所述第一控制信号和所述第二控制信号产生第二开关管驱动信号，所述第一控制信号用于控制所述第二开关管驱动信号的频率，所述第二控制信号用于控制所述第二开关管驱动信号的占空比；所述第二开关管驱动信号取反得到第一开关管驱动信号。

与传统的具有高增益能力的三端口变换器相比，本发明所述三端口变换器器件数量少，成本低，体积小，结构简单，且具有较高的升压能力，可以实现三个端口间功率流的灵活控制，且能够实现所有开关管的zvs开通，以及二极管d2的自然关断，有效提高了离网型光伏发电系统的集成度及变换效率。

附图说明

图1为本申请实施例的三端口变换器的电路结构示意图；

图2(a)为图1所示三端口变换器一个开关周期内模态1的等效电路图；

图2(b)为图1所示三端口变换器一个开关周期内模态2的等效电路图；

图2(c)为图1所示三端口变换器一个开关周期内模态3的等效电路图；

图2(d)为图1所示三端口变换器一个开关周期内模态4的等效电路图；

图2(e)为图1所示三端口变换器一个开关周期内模态5的等效电路图；

图3为图1所示三端口变换器一个开关周期内关键波形图；

图4为图1所示三端口变换器一个开关周期内各功率管电压电流仿真波形图；

图5(a)为图1所示三端口变换器由于光伏组件输出功率增加，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形；

图5(b)为图1所示三端口变换器由于负载功率减小，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形；

图6(a)为图1所示三端口变换器由于光伏组件输出功率减小，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形；

图6(b)为图1所示三端口变换器由于负载功率增加，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本申请实施例提供了一种三端口变换器，三端口变换器的三个端口分别与光伏组件、蓄电池和负载连接，三端口变换器包括：第一开关管s1、第二开关管s2、第一电容c1、第二电容c2、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电感l1和第二电感l2；光伏组件的正极与第一电感l1的第一端、第一二极管d1的阳极、第一电容c1的第一端连接；第一二极管d1的阴极与第二二极管d2的阴极、第二电感l2的第一端连接；第一电感l1的第二端与蓄电池负极、第二二极管d2的阳极连接；蓄电池正极与第一开关管s1的漏极、第二开关管s2的源极、第二电感l2的第二端连接；第二开关管s2的漏极与第二电容c2的第一端、负载的正极连接；光伏组件的负极与第一电容c1的第二端、第一开关管s1的源极、第二电容c1的第二端、负载的负极连接。

在本实施例中，第一开关管s1和第二开关管s2均采用mos管。

在本实施例中，还包括mppt控制支路、负载恒压控制支路、调制单元；mppt控制支路用于获取光伏组件的输出电压upv和输出电流ipv，产生第一控制信号uc1，第一控制信号uc1用于实现光伏组件的最大功率点跟踪控制；负载恒压控制支路用于获取负载的端电压uo，产生第二控制信号uc2，第二控制信号uc2用于实现负载恒压控制；调制单元用于根据第一控制信号uc1和第二控制信号uc2产生第一开关管s1和第二开关管s2的驱动信号。

在本实施例中，调制单元包括压频转换器、比较器和反相器；压频转换器用于将第一控制信号uc1转化为三角载波信号uc；比较器用于将第二控制信号uc2与三角载波信号uc进行比较，得到第二开关管s2的驱动信号ugs2；反相器用于将第二开关管s2的驱动信号ugs2取反，得到第一开关管s1的驱动信号ugs1。

在本实施例中，控制方法具体为：控制第一电感l1和第二电感l2分别工作在电流双向连续导通模式和电流断续模式；获取光伏组件的输出电压upv以及光伏组件的输出电流ipv，产生第一控制信号uc1；获取负载的端电压uo，产生第二控制信号uc2；根据第一控制信号uc1和第二控制信号uc2产生第二开关管s2的驱动信号ugs2，第一控制信号uc1用于控制第二开关管s2的驱动信号ugs2的频率，第二控制信号uc2用于控制第二开关管s2的驱动信号ugs2的占空比；第二开关管s2的驱动信号ugs2取反得到第一开关管s1的驱动信号ugs1。

本申请实施例中的三端口变换器有两种主要工作模式。

工作模式1(光伏、蓄电池联合供电模式)：光伏组件发出功率无法满足负载功率时，系统中光伏组件与蓄电池同时发出功率为负载进行供电。

工作模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电模式)：当光伏组件发出功率大于负载功率时，系统中光伏组件发出功率分别传递至蓄电池和负载，为其供电。

接下来分析这两种工作模式下变换器的基本工作原理。此时，系统工作已经达到稳态，并符合以下条件：①储能元件和二极管均为理想器件；②除体二极管外，忽略第一开关管s1和第二开关管s2的其他寄生参数；③忽略电压蓄电池电压ub、光伏电压upv和负载电压uo的电压纹波；④第一开关管s1和第二开关管s2的驱动信号死区时间相等，为td。

本申请实施例中的在一个开关周期中的工作可分成5个模态，每个工作模态对应的等效电路如图2(a)～图2(e)所示，关键波形如图3所示

分述如下：

t0时刻前，第一开关管s1的体二极管导通，第一开关管s1、第二开关管s2、第一二极管d1、第二二极管d2均关断。

模态1：[t0-t1](等效电路如图2(a)所示)

t0时刻，零电压开通第一开关管s1，其体二极管自然关断，第一二极管d1导通，模态1开始。第一电感l1和第二电感l2分别承受正向电压upv+ub和upv，第一电感电流il1和第二电感电流il2均正向线性增大，其表达式为：

t1时刻，关断第一开关管s1，模态1结束。

模态2：[t1-t2](等效电路如图2(b)所示)

第一二极管d1反向截止，第二二极管d2和第二开关管s2的体二极管均导通。第一电感l1和第二电感l2承受反向电压uo-ub-upv和ub，电感电流il1和il2的表达式如下：

t2时刻，零电压开通第二开关管s2，模态2结束。

模态3：[t2-t3](等效电路如图2(c)所示)

第一电感电流il1和第二电感电流il2均保持原有斜率线性变化。t3时刻，第二电感电流il2减小至0，第二二极管d2自然关断，模态3结束。该模态持续时间为：

δt3＝t3-t2＝d1ts(5)

式中，d1为第二电感电流il2下降时间和开关周期ts的比值。

模态4：[t3-t4](等效电路如图2(d)所示)

第一电感电流il1仍保持原有斜率线性变化。t4时刻，关断第二开关管s2，模态4结束。

模态5：[t4-t5](等效电路如图2(e)所示)

第一开关管s1的体二极管导通。第一电感l1和第二电感l2分别承受正向电压upv+ub和upv，第一电感电流il1和第二电感电流il2均正向线性增大，其表达式(1)和式(2)类似，不再赘述。到t5时刻，零电压开通第一开关管s1，模态5结束。下一个开关周期开始，重复上述过程。

忽略三端口变换器的损耗以及其它寄生参数影响，有：

可以看出，光伏组件端电压upv、蓄电池电压ub和负载端电压uo均与占空比d和开关频率fs有关，可以通过改变第一开关管s1的占空比d，实现光伏组件端电压upv的调节，同时通过改变第一开关管s1的开关频率fs，实现负载端电压uo的调节；也可以通过改变第一开关管s1的占空比d，实现负载端电压uo的调节，同时通过改变第一开关管s1的开关频率fs，实现光伏组件端电压upv的调节。本发明实施例中采用后者，即通过改变第一开关管s1的占空比d，实现负载端电压uo的调节，同时通过改变第一开关管s1的开关频率fs，实现光伏组件端电压upv的调节。

为了实现第一开关管s1和第二开关管s2的软开关，要求第一电感l1的电流谷值小于0，即：

式中，δil1为第一电感l1的电流的峰峰值

即要求：

为了验证理论分析的正确性，本发明利用saber仿真软件搭建了一台三端口变换器仿真模型，其各端口的参数如表1所示。第一电感l1＝15μh，第二电感l2＝30μh。

表1三端口变换器各端口参数

仿真实验波形图如图4所示，根据图4可知，驱动信号ugs1和ugs2正压到来前，第一开关管s1和第二开关管s2的端电压uds,s1和uds,s2已经降低至零，这表明二者均实现了零电压开通；第二二极管d2承受反压前，其第二二极管电流id2已降为零，因此第二二极管d2为自然关断。

此外，还对系统模式切换进行了仿真验证：

模式1(光伏、蓄电池联合供电)向模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电)切换有两种情况，仿真结果如图5所示：

(1)负载功率po＝100w不变，光伏组件输出功率ppv由50w突变为150w

如图5(a)所示，在0.5s时刻前，光伏组件输出功率ppv为50w(2.5a×20v)，负载所需功率po为100w(0.5a×200v)，光伏组件输出功率ppv小于负载功率po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。0.5s时，光伏组件输出功率ppv发生突变，由50w突变为150w(7.5a×20v)，0.56s时系统达到稳态。此时，负载所需功率po仍为100w，光伏组件输出功率ppv大于负载功率po，说明系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。

(2)光伏组件输出功率ppv＝100w不变，负载功率po由150w突变至50w

如图5(b)所示，在0.5s时刻前，光伏组件输出功率ppv为100w(5a×20v)，负载所需功率po为150w(0.75a×200v)，光伏组件输出功率ppv小于负载功率po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。0.5s时，负载所需功率po发生突变，由150w突变为50w(0.25a×200v)，0.56s时，系统达到稳态。此时，光伏组件输出功率ppv仍为100w，光伏组件输出功率ppv大于负载功率po，说明系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。

模式1向模式2切换过程所用时间只有不到60ms，而且切换过程中光伏组件端电压upv和负载端电压uo的超调量均较小，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。

模式2向模式1切换也有两种情况，仿真结果如图6所示：

(1)负载功率po＝100w不变，光伏组件输出功率ppv由150w突变为50w。

如图6(a)所示，在0.5s时刻前，光伏组件输出功率ppv为150w(7.5a×20v)，负载所需功率po为100w(0.5a×200v)，光伏组件输出功率ppv大于负载功率po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。0.5s时刻，光伏组件输出功率ppv发生突变，由150w突变为50kw(2.5a×20v)，0.58s时系统达到稳态。此时，负载所需功率po仍为100w，光伏组件输出功率ppv小于负载功率po，说明系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。

(2)光伏组件输出功率ppv＝100w不变，负载功率po由50w突变至150w。

如图6(b)所示，在0.5s时刻前，光伏组件输出功率ppv为100w(5a×20v)，负载所需功率po为50w(0.25a×200v)，光伏组件输出功率ppv大于负载功率po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。0.5s时，负载所需功率po发生突变，由50w突变为150w(0.75a×200v)，0.56s时系统达到稳态。此时，光伏组件输出功率光伏组件输出功率ppv仍为100w，ppv小于po，说明系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。

模式2向模式1切换过程所用时间只有不到80ms，而且切换过程中光伏组件端电压upv和负载端电压uo的超调量均较小，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。

从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的三端口变换器可以实现所有开关管的zvs开通以及二极管d2的自然关断，具有较高的变换效率，此外变换器采用图1所示调制策略能够实现光伏组件的最大功率输出和负载电压恒定，且变换器在光伏组件和负载的功率变化时能够合理地分配各端口之间的功率，灵活地实现模式切换，保证系统的稳定高效运行。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在实际的关系或者顺序。以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对其限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。