一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及直流变换器，特别涉及一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直 流变换器。
【背景技术】
[0002] 随着经济全球化的发展，人们的生活水平逐渐提高，对能源的需求也越来越多，但 传统能源，如石油、煤的日益枯竭和大量使用化石燃料带来的环境污染问题，使得人们更加 努力地探索使用新能源技术。因此，各种新能源比如太阳能、风能、潮汐能、核能等得以开发 利用，这些新能源都各有特点，但是以太阳能最为引人关注，因为太阳能使用时清洁无污 染、储量丰富可再生。相信随着技术的不断进步、成本的进一步降低以及政府的大力支持， 太阳能必将得到更广泛、更高效的利用。
[0003] 利用光伏阵列将吸收的太阳能转化为电能，再接入电网供人们使用，这种发电方 式称为光伏并网发电。光伏发电系统组成包括光伏阵列、直流-直流变换器、逆变器、滤波器 等。光伏阵列的输出电压和气候条件如光照、温度等相关较大，而且变化范围较宽。为了保 证整个输入电压范围内直流-直流变换器都具有较稳定的电压输出，实际应用可以采用具 有升、降压功能的直流-直流变换器。
[0004] 虽然传统的Buck-Boost变换器具有升、降压功能而且结构简单，但是若将其应用 到光伏并网的场合中，会存在功率器件电压应力高和电压输入和输出极性不同的问题。双 管Buck-Boost变换器虽然电压输入和输出的极性相同，但是功率器件承受的电压应力大， 而且，由于光伏并网过程中要求拓扑的升压能力较强，双管Buck-Boost变换器，受电路寄生 参数的影响，其实际的增益较窄，功率开关易运行在极端占空比状态，导致尖峰电流而降低 效率，甚至造成功率开关不能有效关断的风险。因此需要一种能拓宽升、降压直流变换器的 升压增益的拓扑，使其适用于光伏并网场合。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种光伏发电用宽范围输入型升降 压三电平直流变换器，利用准Z源LCD三端阻抗网络，并将其前级与传统的三电平Buck直流 变换器并联，后级与传统的三电平Boost直流变换器并联，构成一种宽增益三电平Buck-Boost 直流变换器拓扑 ，提高了拓扑的升压能力并使原有功率器件承受的电压应力减小一 半，使其更加适用于光伏并网的场合。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平 直流变换器，包括三电平Buck直流变换器，所述三电平Buck直流变换器后级并联有准Z源 IXD三端阻抗网络，所述准Z源LCD三端阻抗网络由第一电感、第二电感、第一储能电容、第二 储能电容、第一二极管构成;所述准Z源LCD三端阻抗网络后级并联有三电平Boost直流变换 器。
[0007] 在拓扑运行在Boost模式下，所述第一电感通过第一二极管进行储能和释能;所述 第一储能电容通过第一二极管进行储能。
[0008] 所述三电平Buck直流变换器前级连接太阳能电池;所述第一电感的左端和第二储 能电容的负极性端接所述三电平Buck直流变换器;所述第一电感的右端分别连接第一储能 电容的负极性端和第一二极管的阳极，所述第一二极管的阴极分别连接第二储能电容的正 极性端和第二电感的左端，所述第二电感的右端与第一储能电容的正极性端相连接;所述 第二电感的右端和第二储能电容的负极性端接所述三电平Boos t直流变换器。
[0009] 所述光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器在升压模式下的输出电 压增益Mi为：
[0010]
[0011 ]所述光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器在降压模式下的输出电 压增益M2为：
[0012]
[0013]其中，Upv为输入电压，Uo为输出电压，m为调制度。
[0014]本发明的有益效果是:本发明的新型宽增益三电平Buck-Boost直流变换器拓扑， 不仅保留了传统三电平直流变换器功率开关电压应力低的优点，而且拓宽了升压时的电压 增益。调制度在趋向于0.75时，理论上存在极大增益，避免了因增大增益而造成功率开关极 端占空比运行的问题。此外，该拓扑还保留了传统三电平Buck电路的降压特性，因此，非常 适用于光伏并网场合。
【附图说明】
[0015] 图1:本发明准Z源IXD三端阻抗网络的电路示意图；
[0016] 图2:传统三电平Buck直流变换器的电路示意图；
[0017]图3:传统三电平Boost直流变换器的电路示意图；
[0018] 图4:本发明光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器的电路示意图；
[0019] 图5:本发明Boost运行模式时拓扑的调制策略；
[0020] 图6:本发明Buck运行模式时拓扑的调制策略；
[0021]图7:本发明Buck运行模式时拓扑的等效运行电路示意图。
[0022] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0023] Upv为太阳能电池输出电压，即为变换器的输入电压；
[0024] Uo为变换器的输出电压；
[0025] L1、L2分别为第一、第二储能电感；
[0026] Di、D2、D3、D4、DA、别为续流二极管；
[0027] &、&为变换器的输入电容;C3、C4为输出侧储能电容；
[0028] C5、C6为变换器的输出电容；
[0029] QhQ^Qs、Q4为变换器的功率开关；
[0030] (^、&2分别为相移载波；
[0031] m为调制度;T为载波周期；
[0032] dl、d2分别为升压模式时，功率开关QlQ3、Q2〇4的占空比；
[0033] S1S2S3S4为功率开关〇1、〇2、〇3、〇4的开关状态；
[0034] (1)为三电平Buck直流变换器；
[0035] (2)准Z源IXD三端阻抗网络；
[0036] (3)三电平Boost直流变换器。
【具体实施方式】
[0037]下面结合附图对本发明作进一步的描述。
[0038] 一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器，包括三电平Buck直流变 换器，三电平Boost直流变换器和准Z源IXD三端阻抗网络。
[0039] 如图1所示，该准Z源IXD三端阻抗网络由第一电感L1、第二电感L2、第一储能电容 C3、第二储能电容C4、第一二极管D3构成;在拓扑运行在Boost模式下，所述第一电感通过第 一二极管进行储能和释能;所述第一储能电容通过第一二极管进行储能。
[0040] 如图2所示，传统的三电平Buck直流变换器，由第一输入电容C1，第二输入电容C 2,2 个功率开关(Qi和Q2)，第二二极管D1和第三二极管D2组成。该电路的具体结构为本领域技术 人员所公知，本发明实施例对具体的电路连接关系不再赘述。
[0041 ]如图3所示，传统的三电平Boost直流变换器，由第一功率开关Q3、第二功率开关Q4、 2个二极管(D4和D5)和2个输出电容(CdPC6)组成。该电路的具体结构为本领域技术人员所 公知，本发明实施例对具体的电路连接关系不再赘述。
[0042]如图4所示，该光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器包括:太阳能电 池 UPV，三电平Buck直流变换器，准Z源IXD三端阻抗网络和三电平Boost直流变换器。太阳能 电池 Upv的两端并联连接三电平Buck直流变换器（即太阳能电池 Upv的正极性端连接第一输 入电容Ci的正极性端，太阳能电池 Upv的负极性端连接第二输入电容C2的负极性端，后续的 电路连接为三电平Buck直流变换器的内部连接，为本领域技术人员所公知，本发明实施例 对此不做赘述）；三电平Buck直流变换器的两端并联连接准Z源IXD三端阻抗网络，准Z源IXD 三端阻抗网络的两端并联连接三电平Boost直流变换器（即第二二极管阴极连接第一 电感L1的左端，第一电感1^的右端分别连接第一储能电容C 3的负极性端和第一二极管D3的 阳极，第一二极管D3的阴极分别连接第二储能电容C4的正极性端和第二电感L 2的左端，第二 电感L2的右端与第一储能电容C3的正极性端相连接，且共同连接至第一功率开关Q 3的集电 极，第二储能电容C4的负极性端分别连接第三二极管02的阳极和第二功率开关Q 4的发射极， 后续的电路连接为三电平Boost直流变换器的内部连接，为本领域技术人员所公知，本发明 实施例对此不做赘述）。
[0043] 即，三电平Buck直流变换器的输出端1、2分别与图1的准Z源LCD三端阻抗网络的1、 2端相并联，准Z源LCD三端阻抗网络的2、3端分别与图3的三电平Boost直流变换器的输入端 2、3相并联，太阳能电池 Upv与三电平Buck直流变换器相并联，从而构成如图4所示的宽增益 三电平 Buck-Boost 直流变换器拓扑。且 Li = L2, Ci = C2、Uci = Uc2 = Upv/2，C5 = C6、Uc5 = Uc6 = U0/ 2(Uci、Uc2为第一输入电容Cl、第二输入电容C2的电压;Uc5、Uc6为输出电容C5、C6的电压）。
[0044] 图5为新型拓扑运行在Boost模式下的PffM调制策略，其宽电压增益如下文描述：
[0045] 在光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器工作在连续电流模式稳态 时，所有电容电压假定其容量足够大，则电容电压均恒定、电容电流为零。当拓扑的开关状 态S1S2S3S4= 1010或OlOl时，第一电感L1、第二电感L2均释放能量，第一储能电容C3、第二储 能电容C4均存储能量。模态(S 1S2S3S4 = 1010)由三个电压闭合回路:Upv-Q1-L1-D3-L2-Q 3-C6-D5-D2-C2-UpV、L2-C3-D3-L2和UPV-Q1-L1-D3-C4-D2-C2-UPV。由基