基于多级能量存储单元串联的电源升压装置的制作方法

本发明涉及光伏电池组件电压调节装置，主要应用于光伏发电领域，尤其涉及一种基于多级能量存储单元串联的电源升压装置。

背景技术：

随着我国对绿色能源的重视，分布式能源系统得到越来越多的关注。太阳能光伏能源、风机能源产业作为未来能源的供应产业，在国家大力促进下，其发展具有重要的现实意义和战略意义。实际使用中，太阳能光伏电站或者风机电站发出的电需要通过并网技术并入国家电网中，电力电子逆变器是必不可少的并网设备。然而，在分布式能源系统中，光伏电池组件或风机电站的输出电压随着光照、风速条件的变化而有很大的变化，输出电压波动频繁且幅值大大低于并网逆变器的要求。为了更好的进行并网，为了更好地实现并网发电，在太阳能光伏电站或者风机电站与并网逆变器之间需要增加一级高效、高增益、性能稳定的升压变换器，利用电力电子技术将低电压转变为适合并网逆变器的稳定、幅值高的直流电。

电力电子变换器中，传统boost变换器最适合作为升压变换器使用。但传统boost变换器的升压范围不大，不适合需要高增益升压变换器才能运行的分布式能源系统使用。专利cn201720617267.4提出了一种基于倍压单元的高升压比变换器，利用一个二极管与一个电容构成升压单元构成倍压单元，通过串联倍压单元将电压成倍提高，实现高增益升压变换器。由于升压单元只采用了电容作为储能元件，储能能力差，不适合需要传输大功率的分布式能源系统。专利cn201320575088.0提出了一种非串联级联的n次型变换器，利用2个二极管、1个电感和一个电容组成升压单元，通过将n个升压单元串联，构成一个变阻抗boost变换器。该方法能够在大功率情况下工作，但是该方法的调节策略是在变换器侧实现的，因此该方法只适合特定应用中特定设计的分布式能源系统中。

在实际分布式能源系统设计中，通常并网逆变器都是选用商品化的电力电子逆变器，也就是说，不可能在逆变器端实施升压变换策略，因此有必要寻找一种在电源端进行升压变换控制的高增益升压变换器拓扑，以满足分布式能源系统实际应用的需要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有高增益的直流变换器，该变换器采用多个能量存储单元串联而成的电源升压装置。

基于多级能量存储单元串联的电源升压装置，包括电源up、主电感l0、主开关s0、能量存储单元和负载；能量存储单元由第一能量存储单元、第二能量存储单元和能量存储单元4n个组成，第一能量存储单元由开关s1、电感l1、升压电容c11和储能电容c21构成，开关s1的一端与升压电容c11的一端相连，构成能量存储单元的输入端in+，升压电容c11的另一端与电感l1的一端相连，构成能量存储单元的输出端out+，储能电容c21的一端与开关s1的另一端和电感l1的另一端相连，储能电容c21的另一端分别作为能量存储单元的输入端in-与输出端out-，第二能量存储单元和能量存储单元4n个的连接方式和构成，以此类推；

所述电源up的正极与主电感l0的一端相连，主电感l0的另一端与主开关s0的一端和第一能量存储单元的输入端in+相连接；电源up的负极与主开关s0的另一端和第一能量存储单元的输入端in-相连；第一能量存储单元的输出端out+与第二能量存储单元的输入端in+相连，第一能量存储单元的输出端out-与第二能量存储单元的输入端in-相连，其他能量存储单元的连接方式，以此类推；最后一个能量存储单元4n的输出端out+与负载的正极输入端相连、输出端out-与负载的负极输入端相连接；

所述能量存储单元由两个工作状态组成：开关s1打开时，储能电容c21中存储的能量注入电感l1和升压电容c11，磁场能量增加，称为充磁状态；开关s1闭合时，输入端注入电流iin向升压电容c11补充能量，同时电感l1向输出端输出电流iout，磁场能量减少，称为去磁状态；工作过程为：在一个工作周期t中，主开关s0导通一次、关断一次，导通时间定义为dt，关断时间则为(1-d)t；

当主开关s0导通时，各个能量存储单元中的开关关断，装置进入充磁状态，主开关s0将主电感l0一端接地，电源up向主电感l0注入能量，主电感l0磁场能量增加；第一能量存储单元的开关s1断开，储能电容c21向电感l1、升压电容c11放电，电感l1磁场能量增加；第二能量存储单元的开关s2断开，储能电容c22向电感l2、升压电容c12和第一能量存储单元的升压电容c11放电，第二能量存储单元的电感l2磁场能量增加；其他能量存储单元的工作过程，以此类推；

当主开关s0关断时，各个能量存储单元中的开关导通，装置进入去磁状态，注入主电感l0的磁场能量减少，形成输出电流输向第一能量存储单元；第一能量存储单元的开关s1导通，注入第一能量存储单元的电流向储能电容c21充电，同时电感l1、升压电容c11放电，电感l1磁场能量减少，形成输出电流输向第二能量存储单元；其他能量存储单元的工作过程相同，以此类推。

所述能量存储单元在充磁状态和去磁状态中各电感电流，根据输出电压uout与输入电压uin之间的关系分析获得：

充磁状态中各电感电流为：

去磁状态中各电感电流为：

根据充磁状态能量与去磁状态能量相等原则，依据充磁状态方程(1)和去磁状态方程(2)可得：

联立方程(3)和方程(4)，求解获得：

所述电源up为光伏电池件或风力发电机。

所述开关为三极管、mosfet场效应管、igbt管或二极管。

所述负载为直流逆变器或光伏逆变器。

本发明技术方案的有益效果是：能量存储单元具有充磁、去磁两个工作状态，在充磁状态中，储能电容向升压电容、储能电感注入能量，磁场能量增加，升压电容的电压是升高；在去磁状态中，输入端注入电流向储能电容注入能量，增加储能电容的电场能量；由于能量存储单元是以串联结构级联的，因此每一个能量存储单元中的升压电容被叠加起来，达到升压；该装置具有拓扑结构简洁、升压稳定、储能高效的特点，适用于分布式能源系统。

附图说明

图1为本发明实施例的电路拓扑示意图。

图2为本发明能量存储单元电路拓扑示意图，其中图2a为充磁状态电路情况示意图，图2b为去磁状态电路情况示意图。

图3为本发明电路结构在充磁状态下电路工作情况示意图。

图4为本发明电路结构在去磁状态下电路工作情况示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

参见图1～4，基于多级能量存储单元串联的电源升压装置，包括电源up(1)、主电感l0(2)、主开关s0(3)、能量存储单元(4)和负载(5)；能量存储单元(4)由第一能量存储单元(41)、第二能量存储单元(42)和能量存储单元4n(n为不小于1的自然数)个组成，第一能量存储单元(41)由开关s1、电感l1、升压电容c11和储能电容c21构成；开关s1的一端与升压电容c11的一端相连，构成能量存储单元的输入端in+；升压电容c11的另一端与电感l1的一端相连，构成能量存储单元的输出端out+；储能电容c21的一端与开关s1的另一端和电感l1的另一端相连；储能电容c21的另一端分别作为能量存储单元的输入端in-与输出端out-；第二能量存储单元(42)和能量存储单元4n个的连接方式和构成，以此类推；

所述电源up(1)的正极与主电感l0(2)的一端相连，主电感l0(2)的另一端与主开关s0(3)的一端和第一能量存储单元(41)的输入端in+相连接；电源up的负极与主开关s0(3)的另一端和第一能量存储单元(41)的输入端in-相连；第一能量存储单元(41)的输出端out+与第二能量存储单元(42)的输入端in+相连，第一能量存储单元(41)的输出端out-与第二能量存储单元(42)的输入端in-相连，其他能量存储单元的连接方式以此类推；最后一个能量存储单元4n个的输出端out+与负载(5)的正极输入端相连、输出端out-与负载(5)的负极输入端相连接；

能量存储单元(4)由两个工作状态组成：开关s1打开时，储能电容c21中存储的能量注入电感l1和升压电容c11，磁场能量增加，称为充磁状态；开关s1闭合时，输入端注入电流iin向升压电容c11补充能量，同时电感l1向输出端输出电流iout，磁场能量减少，称为去磁状态；工作过程为：在一个工作周期t中，主开关s0(3)导通一次、关断一次，导通时间定义为dt，关断时间则为(1-d)t；

当主开关s0(3)导通时，各个能量存储单元中的开关关断，装置进入充磁状态，主开关s0将主电感l0(2)一端接地，电源up(1)向主电感l0(2)注入能量，主电感l0(2)磁场能量增加；第一能量存储单元(41)的开关s1断开，储能电容c21向电感l1、升压电容c11放电，电感l1磁场能量增加；第二能量存储单元(42)的开关s2断开，储能电容c22向电感l2、升压电容c12和第一能量存储单元(41)的升压电容c11放电，第二能量存储单元(42)的电感l2磁场能量增加；其他能量存储单元的工作过程，以此类推。

当主开关s0(3)关断时，各个能量存储单元中的开关s1、开关s2···开关sn导通，装置进入去磁状态，注入主电感l0(2)的磁场能量减少，形成输出电流输向第一能量存储单元；第一能量存储单元(41)的开关s1导通，注入第一能量存储单元的电流向储能电容c21充电，同时电感l1、升压电容c11放电，电感l1磁场能量减少，形成输出电流输向第二能量存储单元；其他能量存储单元的工作过程相同，以此类推。

所述电源up可是光伏电池件、风力发电机及其他绿色能源。

所述开关s0、开关s1、开关s2···开关sn为三极管、mosfet场效应管、igbt管或二极管。

所述负载为直流逆变器或光伏逆变器。

参见图2，图2a为能量存储单元在充磁状态下的电路结构图，此时开关s1处于开断状态，储能电容c21中的能量向电感l1和升压电容c11放电，电感中电流上升，磁场能量增加。图2b为能量存储单元去磁状态下的电路结构图，此时开关s1处于导通状态，外部注入的电流iin向储能电容c21充电，储能电容c21中的电场能量增加，储能电感中磁场能量减少，形成输出电流iout。

参见图3，图3为基于多级能量存储单元串联的电源升压装置完整电路结构在充磁状态下的示意图。主开关s0导通，各个能量存储单元中的开关s1、开关s2···开关sn关断。输入电压通过主开关s0向主电感l0注入能量，主电感l0中磁场能量增加。第一能量存储单元中，储能电容c21向电感l1、升压电容c11放电，电感l1中磁场能量增加。其它能量存储单元的工作情况与第一能量存储单元相同。充磁状态下，各个储能电感中的电流表达式为：

参见图4，图4为基于多级能量存储单元串联的电源升压装置完整电路结构在去磁状态下的示意图。主开关s0关断，各个能量存储单元中的开关s1、开关s2···开关sn导通。主电感l0磁场能量减少，形成输出电流向第一能量存储单元注入能量。第一能量存储单元中，注入电流向储能电容c21注入能量，储能电容c21中电场能量增加。电感l1中磁场能量减少，形成输出电流向下一级电路输出能量。其它能量存储单元的工作情况与第一能量存储单元相同。去磁状态下，各个储能电感中的电流表达式为：

根据能量守恒原理，系统充磁状态下的能量应该等于去磁状态下的能量，因此可将公式(6)、(7)中对应电流相等起来，得到以下方程组：

联立求解方程(8)、(9)，可获得本发明升压系统的电压增益表达式；

公式10表明，输出电压uout大于输入电压uin，系统是一个升压电路，通过调整参数n、d，可调整系统增益。

本发明技术方案的有益效果是：能量存储单元具有充磁、去磁两个工作状态，在充磁状态中，储能电容向升压电容、储能电感注入能量，磁场能量增加，升压电容的电压是升高；在去磁状态中，输入端注入电流向储能电容注入能量，增加储能电容的电场能量；由于能量存储单元是以串联结构级联的，因此每一个能量存储单元中的升压电容被叠加起来，达到升压；该装置具有拓扑结构简洁、升压稳定、储能高效的特点，适用于分布式能源系统。