CN103346670A - 双向双输入zeta/sepic直流变换器及其功率分配方法 - Google Patents

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陈雪筠
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Abstract

一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器及其功率分配方法，该直流变换器包括ZETA脉冲电压源、SEPIC脉冲电流源和输出滤波电路；SEPIC脉冲电流源包括第一输入直流电压源A、第一、第三功率开关管M1、M3、第一、第二电感L1、L2和第一电容C1；ZETA脉冲电压源包括第二输入直流电压源B、第二、第四功率开关管M2、M4，第三电感L3和第二电容C2；ZETA脉冲电压源嵌入SEPIC脉冲电流源中；输出滤波电路包括输出滤波电容C。其功率分配方法包括对两个输入源进行功率分配和负载回馈功率控制。本发明能实现升降压、能量回馈、电路的效率高、不需要隔离变压器，适用于中小功率新能源联合供电***。

Description

双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器及其功率分配方法
【技术领域】
本发明涉及电力电子变换器领域，尤其涉及一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器及其功率分配方法。
【背景技术】
随着环境保护问题的日益突出，人们越来越重视可再生能源的开发利用。可再生能源具有廉价、可靠、清洁无污染、能源丰富等特点，因此可再生能源发电展现了良好的市场前景。目前，应用较多的可再生能源发电形式有光伏发电，燃料电池供电、风力发电、水利发电、地热发电等等，但这些发电形式均存在电力供应不稳定、不连续、随气候条件变化等特点，因此需要采用多种能源联合供电的分布式供电***。
在传统的新能源联合供电***中，每种能源形式通常需要一个DC/DC变换器，将各种能源变成直流输出，并联在公共的直流母线上，供给直流负载，但其结构较复杂，且成本较高。为了简化电路结构，降低***成本，可以用一个多输入直流变换器（Multiple-Input Converter，MIC）代替多个单输入直流变换器。MIC允许多种能源输入，而且输入源的性质、幅值和特性可以相同，也可以差别很大，多输入源可以分别或同时向负载供电，因此提高了***的稳定性和灵活性，实现能源的优化利用，并且降低***成本。
【发明内容】
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种拓扑结构和控制方法均较简单，且能实现能量的自动分配利用的拓扑结构。
为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器，其特征在于：该直流变换器包括ZETA脉冲电压源单元、SEPIC脉冲电流源单元和输出滤波电路；
所述的SEPIC脉冲电流源单元包括第一输入直流电压源V1、第一功率开关管M1、第三功率开关管M3、第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1，第一输入直流电压源V1的正极与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第一功率开关管M1的漏极、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三功率开关管M3的源极、第二电感L2的一端连接，第一输入直流电压源V1的负极与第一功率开关管M1的源极连接；
所述的ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源V2、第二功率开关管M2、第四功率开关管M4，第三电感L3和第二电容C2，第二输入直流电压源V2的正极与第二功率开关管M2的漏极连接，第二功率开关管M2的源极与第三电感L3的一端、第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第四功率开关管M4的漏极连接，第三电感L3的另一端与第二输入直流电压源V2的负极、第四功率开关管M4的源极连接；
所述的SEPIC脉冲电流源单元中第二电感L2的一端与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二电容C2的一端、第四功率开关管M4的漏极连接，所述的SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源V1的负极与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源V2的负极、第三电感L3的一端和第四功率开关管M4的源极连接；
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容C，其中输出滤波电容C的一端分别连接SEPIC脉冲电流源单元中的第三功率开关管M3的漏极和负载R的一端，输出滤波电容C的另一端分别与SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源V1的负极、第一功率开关管M1的源极和ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源V2的负极、第三电感L3的一端和第四功率开关管M4的源极以及负载R的另一端连接。
本发明的目的还在于提供了一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器功率分配方法，包括：
一种如权利要求1所述双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器的功率分配方法：其特征在于：
提供第一电源A为光伏电池及第二电源B为蓄电池，对两个输入源进行功率分配和负载回馈功率控制；
提供第二功率开关管M2及第四功率开关管M4；
第一电源A以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二电源B作为功率缓冲单元，并通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配：当负载需求功率大于第一电源A提供的功率时，第二电源B放电；当负载需求功率小于第一电源A提供的功率时，第二电源B充电；当负载需求功率大于第一电源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为第二功率开关管M2的占空比，控制第二电源B的放电功率；当负载需求功率小于第一电源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第四功率开关管M4的占空比，控制第二电源B的充电功率，维持负载电压稳定。
由于采用上述技术方案，与现有技术相比，本发明提供的双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器及其功率分配方法具有这样的有益效果：
本发明电路能实现升降压、输出电压调节范围大、能实现能量回馈、损耗小、电路的效率高、输出电压波形中的纹波小、不需要隔离变压器等特点；采用两路能量输入，可充分利用新能源，并能双向传递能量，实现能量优化利用；易实现模块化，易扩展应用。
本发明与双输入ZETA/SEPIC电路相比，能实现能量回馈。由于在原来的双输入基础上增加了双向的功能，当负载需要的功率较多时，两个输入源同时给负载供电，与传统的双输入ZETA/SEPIC电路相同，当负载需要的功率较少时，新能源发出的电能大于负载需要的能量，通过适当的控制，实现能量反向流动，将多余的能量储存在蓄电池中，当新能源发出的电能不足时，蓄电池再放电，以维持输出电压的稳定，进而实现能量的优化分配。
【附图说明】
图1为本发明的双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器电气原理图。
图2为本发明的控制***结构框图。
图3至图10是本发明的双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器在不同开关模态的等效电路。
图11为本发明的第一电源A和第二电源B同时供电的原理波形图。
图12为本发明的第一电源A独立供电的原理波形图。
图13为本发明的第二电源B独立供电的原理波形图。
图14为本发明的第一电源A供电，第二电源B储能，输出滤波电容C耗能的原理波形图。
图15为本发明的第一电源A供电，第二电源B储能，输出滤波电容C反馈能量的原理波形图；。
图16为本发明在太阳能汽车电机***中的电气原理图。
上述附图中的符号意义：A、B为第一、第二电源：V1、V2分别为第一电源、第二电源的输入电压；M1、M2、M3、M4分别为第一、第二、第三、第四功率开关管；D1、D2、D3、D4分别为第一、第二、第三、第四功率开关管体二极管；L1、L2、L3分别为第一、第二、第三电感；C1、C2分别为第一、第二电容；C为输出滤波电容；R是负载；VM1、VM2、VM3、VM4分别为第一、第二、第三、第四功率开关管的驱动电压；iL1、iL2、iL3分别为第一、第二、第三电感电流，IL2为第二电感电流平均值；Vo为输出电压；t、t0～t4为时间。
【具体实施方式】
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
如图1所示，一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器，包括ZETA脉冲电压源单元、SEPIC脉冲电流源单元和输出滤波电路；
所述的SEPIC脉冲电流源单元包括第一输入直流电压源V1、第一功率开关管M1、第三功率开关管M3、第一电感L1、第二电感L2和第一电容C1，第一输入直流电压源V1的正极与第一电感L1的一端连接，第一电感L1的另一端与第一功率开关管M1的漏极、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第三功率开关管M3的源极、第二电感L2的一端连接，第一输入直流电压源V1的负极与第一功率开关管M1的源极连接；
所述的ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源V2、第二功率开关管M2、第四功率开关管M4，第三电感L3和第二电容C2，第二输入直流电压源V2的正极与第二功率开关管M2的漏极连接，第二功率开关管M2的源极与第三电感L3的一端、第二电容C2的一端连接，第二电容C2的另一端与第四功率开关管M4的漏极连接，第三电感L3的另一端与第二输入直流电压源V2的负极、第四功率开关管M4的源极连接；
所述的SEPIC脉冲电流源单元中第二电感L2的一端与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二电容C2的一端、第四功率开关管M4的漏极连接，所述的SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源V1的负极与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源V2的负极、第三电感L3的一端和第四功率开关管M4的源极连接；
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容C，其中输出滤波电容C的一端分别连接SEPIC脉冲电流源单元中的第三功率开关管M3的漏极和负载R的一端，输出滤波电容C的另一端分别与SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源V1的负极、第一功率开关管M1的源极和ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源V2的负极、第三电感L3的一端和第四功率开关管M4的源极以及负载R的另一端连接。
如图2所示，根据本发明的控制***结构框图，在双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器中，选择主从控制方式分配两路输入直流电压源输入功率，第一电源A选用太阳能电池作为主供电设备，第二电源B选用蓄电池为后备能源供电设备，符合可再生能源供电***对能源的优先利用的要求。同时调节第一电源A源输入电流参考值以实现太阳电池的最大功率输出，即实现最大功率点跟踪（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT）。第二电源B通过一个带反向输出的调节器(例如PI调节器)进行能量自动分配：当负载需求功率大于第一电源A输入功率时，调节器输出为正值，转化为第二功率开关管M2的占空比，控制第二电源B的放电功率；当负载需求功率小于第一电源A输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第四功率开关管M4的占空比，控制第二电源B的充电功率，维持负载电压稳定。
下面结合图3～图10对本发明变换器的工作原理进行具体分析。上述各元件之前的第一～第四定义仅用来区分不同元件，而无先后顺序，在有元件标号清楚表示的情况下，也可以省略该等第一、第二的表述；而且在电路领域中，某些特别符号已经代表了元件的名称，故在下面工作模态的表述中，为简略描述，部分元件名称被省略。在分析之前，先作如下假设：①所有开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；②所有电感和电容均为理想器件。
根据功率开关管M1～M4的开关状态，可将变换器分为以下八种工作模态。
1.开关模态I：
如图3所示，M1、M2开通，M3、M4关断，D3和D4导通，第一电感L1从电源A中汲取能量，第一电感电流iL1增大，电流通路为A-L1-M1，第一电容C1通过第一功率开关管M1、二极管D4向第二电感L2放电，电流通路为C1-M1-D4-L2；电源B与第二电容C2向输出滤波电容C供电，第二电感电流iL2增大，电流通路为B-M2-C2-L2-D3-C，同时第三电感L3从输入第二电源B汲取能量，第三电感电流iL3增大，电流通路为B-M2-L3。
2.开关模态II：
如图4所示，M1开通，M2、M3和M4关断，D4导通，第一电感L1从电源A中汲取能量，第一电感电流iL1增大，电流通路为A-L1-M1，第一电容C1通过第一功率开关管M1、二极管D4向第二电感L2放电，电流通路为C1-M1-D4-L2，负载的电流则由输出滤波电容C放电提供。
3.开关模态III：
如图5所示，M2开通，M1、M3和M4关断，D3导通，电源B与第二电容C2向输出滤波电容C供电，第二电感电流iL2增大，电流通路为B-M2-C2-L2-D3-C，同时第三电感L3从输入电源B汲取能量，第三电感电流iL3增大，电流通路为B-M2-L3。
4.开关模态IV：
如图6所示，M1、M2、M3和M4关断，D3和D4导通，第一电感L1将经过第一电容C1，二极管D3，输出滤波电容C和负载R续流，第一电感电流iL1减小，电流通路为A-L1-C1-D3-C；第三电感L3通过二极管D4向第二电容C2充电完成续流，第三电感电流iL3减小，电流通路为L,3-D4-C2。同时，第二电感L2经过二极管D3、D4和输出滤波电容C，负载R完成续流，第二电感电流iL2减小，电流通路为L2-D3-C-D4。
5.开关模态V：
如图7所示，M1、M2、M3和M4关断，D3和D4导通，第一电感L1将经过第一电容C1，二极管D3，输出滤波电容C和负载R续流，第一电感电流iL1减小，电流通路为A-L1-C1-D3-C，同时第二电感L2经过二极管D3、D4和输出滤波电容C，负载R完成续流，第二电感电流iL2减小，电流通路为L2-D3-C-D4。
6．开关模态VI：
如图8所示，M1、M2、M3和M4关断，D3和D4导通，第三电感L3通过二极管D4向第二电容C2充电完成续流，第三电感电流iL3减小，电流通路为L3-D4-C2，第二电感L2经过二极管D3、D4和输出滤波电容C，负载R完成续流，第二电感电流iL2减小，电流通路为L2-D3-C-D4。
7．开关模态VII：
如图9所示，M3、M4开通，M1、M2关断，第二电感L2从负载单元中汲取能量，第二电感电流iL2反向增大，电流通路为C-M3-L2-M4。
8．开关模态VIII：
如图10所示，M3开通，M1、M2和M4关断，D2导通，第二电感L2通过第二电容C2、二极管D2续流，给B充电，第二电感电流iL2反向减小，电流通路为L2-C2-D2-B-C-M3。
由上述分析可知，以光伏电池（A源）和蓄电池（B源）作为两个输入电压源，根据电路中能量的传递，双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器存在5种工作模式：
一、电源A、电源B同时供电，电路工作时序为I、IV模态，变换器原理波形如图11所示，第二电感电流iL2恒大于零；
二、电源A单独供电，电路工作时序为II、V模态，变换器原理波形如图12所示，第二电感电流iL2恒大于零；
三、电源B单独供电，电路工作时序为III、VI模态，变换器原理波形如图13所示，第二电感电流iL2恒大于零；
四、电源A供电，电源B储能，C耗能，电路工作时序为II、V、VII、VIII模态，变换器原理波形如图14所示，第二电感电流iL2过零，但第二电感电流平均值IL2大于零；
五、电源A供电，电源B储能，C反馈，电路工作时序为II、V、VII、VIII模态，变换器原理波形如图15所示，第二电感电流iL2过零，但第二电感电流平均值IL2小于零。
下面以该拓扑在太阳能汽车中的应用为例进行说明：
图16为该发明在太阳能汽车电机***中的电气原理图，其具体实施步骤如下：
1、太阳能电池和蓄电池同时给电机***供电，当汽车启动或者重载时，需求功率较大，按照本发明所提出的功率分配方法，对太阳能电池进行最大功率跟踪，控制M1通断，使太阳能电池以最大功率给电机***供电，再控制M2通断，使蓄电池提供不足的功率，这样可以充分利用太阳能，相对于单电源供电，可以提高瞬时功率。
2、太阳能电池单独供电，当蓄电池故障或者太阳能电池正好满足电机***需求时，太阳能电池单独供电。此时，通过控制M1通断，保持功率平衡，确保电机***运转正常。
3、蓄电池单独供电。在阴天或者太阳能电池故障时，蓄电池单独供电。通过电压调节器控制M2的通断，稳定输出电压，满足电机***需求。
4、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机***耗能。当光照较强烈，太阳能电池发出的功率大于电机***需求的功率时，控制M4的通断，将太阳能多余的功率储存到蓄电池中，避免能量浪费，光能得以充分利用。
5、太阳能电池供电，蓄电池储能，电机***回馈能量。当汽车在制动或者下坡时，电机***工作在再生制动状态，将机械能转化为电能回馈到输入侧，在这种情况下，太阳能电池发出的能量和电机***回馈的能量都要储存到蓄电池中，通过最大功率跟踪，控制M1通断，使太阳能电池以最大功率输出，控制M4通断，将能量储存到蓄电池中，避免能量浪费。

Claims (2)

1.一种双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器，其特征在于：该直流变换器包括ZETA脉冲电压源单元、SEPIC脉冲电流源单元和输出滤波电路；
所述的SEPIC脉冲电流源单元包括第一输入直流电压源（V1）、第一功率开关管（M1）、第三功率开关管（M3）、第一电感（L1）、第二电感（L2）和第一电容（C1），第一输入直流电压源（V1）的正极与第一电感（L1）的一端连接，第一电感（L1）的另一端与第一功率开关管（M1）的漏极、第一电容（C1）的一端连接，第一电容（C1）的另一端与第三功率开关管（M3）的源极、第二电感（L2）的一端连接，第一输入直流电压源（V1）的负极与第一功率开关管（M1）的源极连接；
所述的ZETA脉冲电压源单元包括第二输入直流电压源（V2）、第二功率开关管（M2）、第四功率开关管（M4），第三电感（L3）和第二电容（C2），第二输入直流电压源（V2）的正极与第二功率开关管（M2）的漏极连接，第二功率开关管（M2）的源极与第三电感（L3）的一端、第二电容（C2）的一端连接，第二电容（C2）的另一端与第四功率开关管（M4）的漏极连接，第三电感（L3）的另一端与第二输入直流电压源（V2）的负极、第四功率开关管（M4）的源极连接；
所述的SEPIC脉冲电流源单元中第二电感（L2）的一端与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二电容（C2）的一端、第四功率开关管（M4）的漏极连接，所述的SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源（V1）的负极与所述的ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源（V2）的负极、第三电感（L3）的一端和第四功率开关管（M4）的源极连接；
所述的输出滤波电路包括输出滤波电容（C），其中输出滤波电容（C）的一端分别连接SEPIC脉冲电流源单元中的第三功率开关管（M3）的漏极和负载（R）的一端，输出滤波电容（C）的另一端分别与SEPIC脉冲电流源单元中第一输入直流电压源（V1）的负极、第一功率开关管（M1）的源极和ZETA脉冲电压源单元中第二输入直流电压源（V2）的负极、第三电感（L3）的一端和第四功率开关管（M4）的源极以及负载（R）的另一端连接。
2.一种如权利要求1所述双向双输入ZETA/SEPIC直流变换器的功率分配方法：其特征在于：
提供第一电源（A）为光伏电池及第二电源（B）为蓄电池，对两个输入源进行功率分配和负载回馈功率控制；
提供第二功率开关管（M2）及第四功率开关管（M4）；
第一电源（A）以最大功率输入，并通过最大功率跟踪算法保持最大功率输入，第二电源（B）作为功率缓冲单元，并通过一个带反向输出的调节器进行能量自动分配：当负载需求功率大于第一电源（A）提供的功率时，第二电源（B）放电；当负载需求功率小于第一电源（A）提供的功率时，第二电源（B）充电；当负载需求功率大于第一电源（A）输入功率时，调节器输出为正值，转化为第二功率开关管（M2）的占空比，控制第二电源（B）的放电功率；当负载需求功率小于第一电源（A）输入功率时，负载电压升高，调节器输出为负值，转化为第四功率开关管（M4）的占空比，控制第二电源（B）的充电功率，维持负载电压稳定。
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Application publication date: 20131009