CN102751876A

CN102751876A - 一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备

Info

Publication number: CN102751876A
Application number: CN2012102481539A
Authority: CN
Inventors: 胡义华; 徐惠; 邓焰; 龙江涛; 路晓寻
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2012-07-18
Filing date: 2012-07-18
Publication date: 2012-10-24

Abstract

本发明公开了一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，由一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容相互连接构成；本发明采用交错并联结构通过控制主开关管的相位，可以实现输入电流的低纹波，从而易于实现新能源电池的最大功率点跟踪控制；同时，本发明采用了有源钳位结构可以实现主开关管的软开关，从而降低了损耗，提高了效率；另外，本发明采用了负载侧两个耦合电感式串联结构，可以实现较高升压能力；新能源电池工作时，既可以给负载侧供电，同时可以给蓄电池供电；当新能源电池不工作时，通过蓄电池仍然可以给负载侧供电。

Description

一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备

技术领域

本发明属于新能源功率变换技术领域，具体涉及一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备。

背景技术

在新能源供电系统中，由于新能源产生的电能都是电压较低的直流电，而在很多应用场景中(如并网发电系统)需要电压较高的直流电，因此新能源供电系统都具有功率变换器把低电压直流电转换为适合的高电压直流电；此外，功率变换器还需要负责新能源、蓄电池、负载三者之间的能量管理与控制。

常规的升压型(Boost)交错并联直流-直流变换器的输出电压增益较小，功率开关管的电压应力较大，功率开关管为硬开关工作，开关损耗较大，续流二极管的反向恢复电流较大，反向恢复损耗较大。近年来，相继研究了一些软开关电路，通过附加有源功率开关和无源电感、电容等器件或是通过附加二极管和无源电感、电容等器件来实现功率开关管的软开关。

在实际新能源供电系统中为实现并网或者独立系统中能量的持续性需要加入蓄电池从而实现可调度的系统。为此需要多个功率变换器装置或者多级装置，从而增加了系统控制的复杂度和成本。故传统的新能源供电系统如图1所示，该系统需要两套功率变换器装置来实现新能源-蓄电池、新能源-负载以及蓄电池-负载的功率转换；而大量的功率变换器件成本高、效率低。

如图2所示，基于三端口功率变换器的新能源供电系统可以很好的解决传统功率变换器件多的问题；其中典型的一种结构如图3所示，该电路结构的优点是所用开关管较少，但是缺点也很明显，主要缺点如下：

(1)因为是单磁芯结构所以传输功率有限，利用该拓扑结构不能利用在功率较大的场合；

(2)由于该电路的本质是半桥结构所以存在副边升压能力有限，从而限制了该拓扑结构在高升压场合的应用，例如输入源为光伏电池、燃料电池，输出负载为并网或独立运行的逆变器；

(3)由于原边电流纹波较大，在需要控制输入源最佳工作点的情况下例如燃料电池或者光伏电池板，该拓扑的在控制上将遇到很大的困难。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，能够实现开关管的软开关，原边电流低纹波，功率转换效率高。

一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，包括：一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容；其中：

新能源电池的正极与逆阻二极管的阳极相连，逆阻二极管的阴极与第一主开关管的漏极和第二主开关管的漏极相连，第一主开关管的源极与第三主开关管的漏极、第一钳位开关管的源极和第一耦合电感原边线圈的非同名端相连，第二主开关管的源极与第四主开关管的漏极、第二钳位开关管的源极和第二耦合电感原边线圈的非同名端相连，第三主开关管的源极与第四主开关管的源极和能量存储器的负极相连，第一钳位开关管的漏极与第一钳位电容的一端相连，第二钳位开关管的漏极与第二钳位电容的一端相连，新能源电池的负极与第一钳位电容的另一端、第二钳位电容的另一端、第一耦合电感原边线圈的同名端、第二耦合电感原边线圈的同名端和能量存储器的正极相连；

第一耦合电感副边线圈的非同名端与第二耦合电感副边线圈的非同名端相连，第二耦合电感副边线圈的同名端与第一整流二极管的阳极和第二整流二极管的阴极相连，第一耦合电感副边线圈的同名端与第一滤波电容的一端和第二滤波电容的一端相连，第一整流二极管的阴极与第一滤波电容的另一端相连并构成正输出端，第二整流二极管的阳极与第二滤波电容的另一端相连并构成负输出端；

所述的主开关管的栅极以及钳位开关管的栅极均接收外部设备提供的控制信号。

所述的主开关管和钳位开关管均采用NMOS管。

新能源电池是一种直接把可再生能源(如核能、太阳能、风能、生物质能、地热能等)转化成电能的装置，优选地，所述的新能源电池为光伏电池；相对于其他新能源电池，其不受环境限制，使用方便。

能量存储器是一种用于存储电能的装置(如蓄电池、超级电容等)，优选地，所述的能量存储器为蓄电池；其具有较高的能量存储密度，且价格便宜，具有普适性。

本发明的工作原理为：

当新能源电池可工作时，第一主开关管和第二主开关管工作，钳位开关管不工作，新能源电池输出的电能给负载供电，第一耦合电感和第二耦合电感中的漏感中的能量给蓄电池充电，且能限制开关管电压应力；当新能源电池不工作时，蓄电池通过顺序导通第三主开关管、第四主开关管、第一钳位开关管、第二钳位开关管给负载供电，第三主开关管和第一钳位开关管构成软开关电路，第四主开关管和第二钳位开关管构成软开关电路。

本发明采用交错并联结构，可以很好的提高设备的功率传输能力，其功率传输能力可扩展至10KW；由于是交错并联的结构，通过控制主开关管的相位，可以实现输入电流的低纹波，从而易于实现新能源电池的最大功率点跟踪控制；同时，本发明采用了有源钳位结构可以实现主开关管的软开关，从而降低了损耗，提高了效率；另外，本发明采用了负载侧两个耦合电感式串联结构，可以实现较高升压能力；新能源电池工作时，既可以给负载侧供电，同时可以给蓄电池供电；当新能源电池不工作时，通过蓄电池仍然可以给负载侧供电。

附图说明

图1为基于多功率变换器的新能源供电系统的结构示意图。

图2为基于三端口功率变换器的新能源供电系统的结构示意图。

图3为传统基于三端口功率变换器的新能源供电系统的电路结构示意图。

图4为本发明新能源供电系统的电路结构示意图。

图5为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态1的电路原理示意图。

图6为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态2的电路原理示意图。

图7为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态3的电路原理示意图。

图8为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态4的电路原理示意图。

图9为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态5的电路原理示意图。

图10为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态6的电路原理示意图。

图11为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态7的电路原理示意图。

图12为本发明光伏电池供电时功率变换工作状态8的电路原理示意图。

图13为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态1的电路原理示意图。

图14为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态2的电路原理示意图。

图15为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态3的电路原理示意图。

图16为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态4的电路原理示意图。

图17为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态5的电路原理示意图。

图18为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态6的电路原理示意图。

图19为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态7的电路原理示意图。

图20为本发明蓄电池供电时功率变换工作状态8的电路原理示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。

如图4所示，一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，包括：一光伏电池F、一蓄电池E、一逆阻二极管D、两个耦合电感L₁～L₂、四个主开关管S₁～S₄、两个钳位开关管Q₁～Q₂、两个钳位电容C₁～C₂、两个整流二极管Z₁～Z₂和两个滤波电容Co₁～Co₂；其中：

光伏电池F的正极与逆阻二极管D的阳极相连，逆阻二极管D的阴极与第一主开关管S₁的漏极和第二主开关管S₂的漏极相连，第一主开关管S₁的源极与第三主开关管S₃的漏极、第一钳位开关管Q₁的源极和第一耦合电感L₁原边线圈的非同名端相连，第二主开关管S₂的源极与第四主开关管S₄的漏极、第二钳位开关管Q₂的源极和第二耦合电感L₂原边线圈的非同名端相连，第三主开关管S₃的源极与第四主开关管S₄的源极和蓄电池E的负极相连，第一钳位开关管Q₁的漏极与第一钳位电容C₁的一端相连，第二钳位开关管Q₂的漏极与第二钳位电容C₂的一端相连，光伏电池F的负极与第一钳位电容C₁的另一端、第二钳位电容C₂的另一端、第一耦合电感L₁原边线圈的同名端、第二耦合电感L₂原边线圈的同名端和蓄电池E的正极相连；

第一耦合电感L₁副边线圈的非同名端与第二耦合电感L₂副边线圈的非同名端相连，第二耦合电感L₂副边线圈的同名端与第一整流二极管Z₁的阳极和第二整流二极管Z₂的阴极相连，第一耦合电感L₁副边线圈的同名端与第一滤波电容Co₁的一端和第二滤波电容Co₂的一端相连，第一整流二极管Z₁的阴极与第一滤波电容Co₁的另一端相连并接电阻负载R的一端，第二整流二极管Z₂的阳极与第二滤波电容Co₂的另一端相连并接电阻负载R的另一端；

主开关管S₁～S₄的栅极以及钳位开关管Q₁～Q₂的栅极均接收外部设备提供的控制信号；本实施方式中，主开关管S₁～S₄和钳位开关管Q₁～Q₂均采用NMOS管。

本实施方式分以下两种工作状态：

(1)光伏电池F正常工作运行(白天阳光普照)，输出回路能量由光伏电池F提供，钳位开关管Q₁～Q₂处于常闭状态，不参与工作过程；电路工作状态包括以下几个过程：

工作状态1(如图5所示)，主开关管S₁、S₂均开通，Q₁、Q₂关断，在输入电压作用下耦合电感原边储能，原边励磁电流线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态2(如图6所示)，S₁关断，耦合电感L₁励磁电流给S₁寄生电容充电，开关管S₁间电压线性增加，耦合电感L₂原边励磁电流继续线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态3(如图7所示)，S₁寄生电容两端电压升高到一定值后整流二极管Z₂导通，此时耦合电感L₁工作在反激状态，L₂工作在正激状态，光伏电池F和耦合电感中的能量开始向电容Co₂传递，同时电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态4(如图8所示)，S₁寄生电容两端电压升到箝位电压时S₃反并二极管导通，L₂继续储能电流线性增大，耦合电感L₁中能量向电容Co₂充电，同时也为蓄电池E充电。

工作状态5(如图9所示)，S₃开通，此时S₃为零电压开关开通，流过其反并二极管电流迅速向S₃转移。

工作状态6(如图10所示)，S₃关断，漏感L₁与开关管S₁寄生电容谐振，漏感上的一部分能量向负载R传递，另一部分向L₂传递。

工作状态7(如图11所示)，S₁寄生电容两端电压降为0，寄生电容与漏感L₁谐振过程结束，此时S₁反并二极管导通续流，漏感电流在电容Co₂的电压作用下线性下降。

工作状态8(如图12所示)，S₁导通，此时S₁为零电压开关开通，整流二极管继续续流导通直至电流降为0，二极管Z₂截止。此时S₁、S₂均开通，原边励磁电流线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

开关管S₂在一个周期内的工作状态与S₁同理。

(2)当光伏电池F不工作(夜晚或阴雨天无光照)，输出回路能量由蓄电池E提供，主开关管S₁、S₂处于常闭状态，不参与工作过程；电路工作状态包括以下几个过程：

工作状态1(如图13所示)，S₃、S₄均开通，Q₁、Q₂关断，在输入电压作用下耦合电感原边储能，原边励磁电流线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态2(如图14所示)，S₃关断，电感L₁励磁电流给S₃寄生电容充电，开关管间电压线性增加，L₂原边励磁电流继续线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态3(如图15所示)，S₃寄生电容两端电压升高到一定值后整流二极管Z₁导通，此时耦合电感L₁工作在反激状态，L₂工作在正激状态，蓄电池E和耦合电感中的能量开始向电容Co₁传递，同时电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

工作状态4(如图16所示)，S₃寄生电容两端电压升到箝位电压时Q₁反并二极管导通，L₂继续储能电流线性增大，耦合电感L₁中能量向输出电容Co₁充电。

工作状态5(如图17所示)，Q₁开通，此时Q₁为零电压开关开通，流过其反并二极管电流迅速向Q₁转移。

工作状态6(如图18所示)，Q₁关断，漏感L₁与开关管S₃寄生电容Cs3谐振，漏感L₁上的一部分能量向负载R传递，另一部分向蓄电池E传递。

工作状态7(如图19所示)，S₃寄生电容两端电压降为0，寄生电容与漏感L₁谐振过程结束，此时S₃反并二极管导通续流，漏感电流在电容Co₁的电压作用下线性下降。

工作状态8(如图20所示)，S₃导通，此时S₃为零电压开关开通，整流二极管继续续流导通直至电流降为0，二极管Z₁截止。此时S₃、S₄均开通，原边励磁电流线性增加，电容Co₁、Co₂串联向负载R供电。

开关管S₄在一个周期内的工作状态与S₃同理。

Claims

1.一种隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于，包括：一新能源电池、一能量存储器、一逆阻二极管、两个耦合电感、四个主开关管、两个钳位开关管、两个钳位电容、两个整流二极管和两个滤波电容；其中：

2.根据权利要求1所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于：所述的主开关管和钳位开关管均采用NMOS管。

3.根据权利要求1所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于：所述的新能源电池为光伏电池。

4.根据权利要求1所述的隔离型基于三端口功率变换器的新能源供电设备，其特征在于：所述的能量存储器为蓄电池。