CN105610323A - 一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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LCD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。本发明利用准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。

Description

一种光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器

技术领域

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

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。

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***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。

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

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。

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LCD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。

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。

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Boost直流变换器。

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M₁为：

$M_1=\frac{U_0}{U_{PV}}=\frac{2m}{3-4m},0.5<m<0.75$

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：

$M_2=\frac{U_0}{U_{PV}}=m,0<m<1$

其中，U_PV为输入电压，U₀为输出电压，m为调制度。

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

图1：本发明准Z源LCD三端阻抗网络的电路示意图；

图2：传统三电平Buck直流变换器的电路示意图；

图3：传统三电平Boost直流变换器的电路示意图；

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；

图5：本发明Boost运行模式时拓扑的调制策略；

图6：本发明Buck运行模式时拓扑的调制策略；

图7：本发明Buck运行模式时拓扑的等效运行电路示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

U_PV为太阳能电池输出电压，即为变换器的输入电压；

U₀为变换器的输出电压；

L₁、L2分别为第一、第二储能电感；

D₁、D₂、D₃、D₄、D₅分别为续流二极管；

C₁、C₂为变换器的输入电容；C₃、C₄为输出侧储能电容；

C₅、C₆为变换器的输出电容；

Q₁、Q₂、Q₃、Q₄为变换器的功率开关；

C_r1、C_r2分别为相移载波；

m为调制度；T为载波周期；

d₁、d₂分别为升压模式时，功率开关Q₁Q₃、Q₂Q₄的占空比；

S₁S₂S₃S₄为功率开关Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的开关状态；

(1)为三电平Buck直流变换器；

(2)准Z源LCD三端阻抗网络；

(3)三电平Boost直流变换器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

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LCD三端阻抗网络。

如图1所示，该准Z源LCD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。

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C₂，2个功率开关(Q₁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。

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(C₅和C₆)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。

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U_PV，三电平Buck直流变换器，准Z源LCD三端阻抗网络和三电平Boost直流变换器。太阳能电池U_PV的两端并联连接三电平Buck直流变换器(即太阳能电池U_PV的正极性端连接第一输入电容C₁的正极性端，太阳能电池U_PV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LCD三端阻抗网络，准Z源LCD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D₁的阴极连接第一电感L₁的左端，第一电感L₁的右端分别连接第一储能电容C₃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L₂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Q₃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D₂的阳极和第二功率开关Q₄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)。

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U_PV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L₁＝L₂，C₁＝C₂、U_C1＝U_C2＝U_PV/2，C₅＝C₆、U_C5＝U_C6＝U_o/2(U_C1、U_C2为第一输入电容C₁、第二输入电容C₂的电压；U_C5、U_C6为输出电容C₅、C₆的电压)。

图5为新型拓扑运行在Boost模式下的PWM调制策略，其宽电压增益如下文描述：

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0101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(S₁S₂S₃S₄＝1010)由三个电压闭合回路：U_PV-Q₁-L₁-D₃-L₂-Q₃-C₆-D₅-D₂-C₂-U_PV、L₂-C₃-D₃-L₂和U_PV-Q₁-L₁-D₃-C₄-D₂-C₂-U_PV。由基尔霍夫第一定律得

$\left\{\begin{array}{c}\frac{U_{PV}}{2}+u_{L1\_dis}+u_{L2\_dis}=\frac{U_o}{2}\\ u_{L2\_dis}=U_{C3}\\ \frac{U_{PV}}{2}+u_{L1\_dis}=U_{C4}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中u_{L1_dis}、u_{L2_dis}分别为第一电感L₁、第二电感L₂均释放能量时的电压，U_PV、U_o分别为输入、输出电压，U_C3、U_C4分别为第一储能电容C₃、第二储能电容C₄的电压。

当拓扑的开关状态S₁S₂S₃S₄＝1111时，第一电感L₁、第二电感L₂均储存能量，第一储能电容C₃、第二储能电容C₄均释放能量。存在两个电压闭合回路：U_PV-Q₁-L₁-C₃-Q₃-Q₄-Q₂-U_PV和C₄-L₂-Q₃-Q₄-C₄。由基尔霍夫第一定律得

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{PV}+U_{C3}=u_{L1\_ch}\\ U_{C4}=u_{L2\_ch}\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中u_{L1_ch}、u_{L2_ch}分别为第一电感L₁、第二电感L₂均储存能量时的电压。

假设完成一个充放电过程的时间周期为T，由图5的调制策略，当调制度为m时，在一个周期内，第一电感L₁、第二电感L₂的充放电时间分别为

$\left\{\begin{array}{c}{T}_{ch}=(2m-1)*T\\ T_{dis}=(2-2m)*T\end{array}\right.---\left(3\right)$

根据伏秒平衡，电感在一个开关周期内储存和释放电电量是相等的，分别对第一电感L₁、第二电感L₂列写方程

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{L1\_dis}*T_{dis}=u_{L1\_ch}*T_{ch}\\ u_{L2\_dis}*T_{dis}=u_{L2\_ch}*T_{ch}\end{array}\right.---\left(4\right)$

将式(1)、(2)、(3)带入式(4)中得

$\left\{\begin{array}{c}(U_{C4}-\frac{U_{PV}}{2})*(2-2m)=(U_{PV}+U_{C3})*(2m-1)\\ U_{C3}*(2-2m)=U_{C4}*(2m-1)\end{array}\right.---\left(5\right)$

对式(5)进行整理得

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{C3}=\frac{m(2m-1)}{3-4m}{U}_{PV}\\ U_{C4}=\frac{m(2-2m)}{3-4m}{U}_{PV}\end{array}\right.---\left(6\right)$

当处于模态S₁S₂S₃S₄＝1010或者0101，此时存在回路由U_C3、U_C4、U_C6或者U_C3、U_C4、U_C5构成的回路。若忽略回路上的损耗，由基尔霍夫第一定律、三电平电路输出电压和储能电容电压的关系得

$U_{C3}+U_{C4}=U_{C5}=U_{C6}=\frac{Uo}{2}---\left(7\right)$

当处于模态S₁S₂S₃S₄＝1111，此时的二极管D₄、D₅处于反向截止的状态，输出电压为保持状态，则在整个充放电过程中式(7)恒成立。

即在整个充放电过程中，第一储能电容C₃、第二储能电容C₄所承受的电压应力之和为输出电压的0.5倍，第一储能电容C₃、第二储能电容C₄的电压应力都处在较低状态。

将式(6)带入式(7)中得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输出电压增益M₁为

$M_1=\frac{2m}{3-4m}---\left(8\right)$

上式中m为调制度也是功率开关Q₁、Q₂、Q₃、Q₄的占空比，0.5＜m＜0.75。

图6为新型拓扑运行在Buck模式下的PWM调制策略，其宽电压增益如下文描述：

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，由于第一功率开关Q₃、第二功率开关Q₄都处于关断状态，第一二极管D₃处于一直导通状态，新型拓扑等效于传统三电平Buck直流变换器，其等效电路图为图7所示，此状态下的运行状态为本领域技术人员所公知，本发明实施例对此不做赘述。

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降压模式下的输出电压增益M₂为

M₂＝m(9)

上式中m为调制度也是功率开关Q₁、Q₂占空比，此时Q₃、Q₄处于关断状态，0＜m＜1。

在一个载波周期，光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器的升压(Boost)模式经历三个开关状态，降压(Buck)模式也经历三个开关状态，由于降压(Buck)等效拓扑为传统三电平Buck电路，下面仅对升压(Boost)模式进行说明：

(1)开关状态S₁S₂S₃S₄＝1111时，第一电感L₁、第二电感L₂均存储能量，第一储能电容C₃、第二储能电容C₄均释放能量，光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器存在两个电压闭合回路：

闭合回路1-a：U_PV-Q₁-L₁-C₃-Q₃-Q₄-Q₂-U_PV，此时，太阳能电池U_PV和第一储能电容C₃对第一电感L₁储存能量；

闭合回路1-b：L₂-Q₃-Q₄-C₄-L₂，此时，第二储能电容C₄对第二电感L₂储存能量。

在一个周期内，该开关状态经历的总时间t₁₁₁₁＝[d₁-(1-d₂)]T。

(2)开关状态S₁S₂S₃S₄＝1010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，光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器存在三个电压闭合回路：

闭合回路2-a：U_PV-Q₁-L₁-D₃-L₂-Q₃-C₆-D₅-D₂-C₂-U_PV，此时，太阳能电池U_PV和第一电感L₁、第二电感L₂对第二输入电容C₂、输出电容C₆充电，并对负载(逆变器直流母线侧)供能，此时第一输入电容C₁、输出电容C₅放电；

闭合回路2-b：L₂-C₃-D₃-L₂，此时，第二电感L₂通过第一二极管D₃对第一储能电容C₃进行充电；

闭合回路2-c：U_PV-Q₁-L₁-D₃-C₄-D₂-C₂-U_PV，此时，太阳能电池U_PV和第一电感L₁通过第一二极管D₃对第二输入电容C₂、第二储能电容C₄进行充电，此时第一输入电容C₁放电。

在一个周期内，该开关状态经历的总时间t₁₀₁₀＝(1-d₂)T。

(3)开关状态S₁S₂S₃S₄＝0101时，第一电感L₁、第二电感L₂均释放能量，第一输入电容C₁、第二输入电容C₂均存储能量，光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器存在三个电压闭合回路：

闭合回路3-a：U_PV-C₁-D₁-L₁-D₃-L₂-D₄-C₅-Q₄-Q₂-U_PV，此时，太阳能电池U_PV和第一电感L₁、第二电感L₂对第一输入电容C₁、输出电容C₅充电，并对负载(逆变器直流母线侧)供能，此时第二输入电容C₂、输出电容C₆放电；

闭合回路3-b：L₂-C₃-D₃-L₂，此时，第二电感L₂通过第一二极管D₃对第一储能电容C₃进行充电；

闭合回路3-c：U_PV-C₁-D₁-L₁-D₃-C₄-Q₂-U_PV，此时，太阳能电池U_PV和第一电感L₁通过第一二极管D₃对第一输入电容C₁、第二储能电容C₄进行充电，此时第二输入电容C₂放电。

在一个周期内，该开关状态经历的总时间t₀₁₀₁＝(1-d₁)T。

综上述三种开关状态，S₁S₂S₃S₄＝1111时，太阳能电池U_PV和第一储能电容C₃为第一电感L₁储存能量、第二储能电容C₄为第二电感L₂储存能量；S₁S₂S₃S₄＝1010或0101时，第二电感L₂为第一储能电容C₃存储能量、太阳能电池U_PV和第一电感L₁为第二储能电容C₄存储能量，同时太阳能电池U_PV和第一电感L₁、第二电感L₂剩余的能量为输出侧提供。

因此，通过光伏阵列、电感、电容的能量按上述方式传递，达到了减小器件的开关应力，拓宽Buck-Boost变换器升压能力的效果，非常适用于光伏并网的升降压场合。

Claims (5)

1.一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，其特征在于，所述三电平Buck直流变换器后级并联有准Z源LCD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。

2.根据权利要求1所述的光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器，其特征在于，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。

3.根据权利要求1所述的光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器，其特征在于，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Boost直流变换器。

4.根据权利要求1所述的光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器，其特征在于，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M₁为：

其中，U_PV为输入电压，U₀为输出电压，m为调制度。

5.根据权利要求1所述的光伏发电用宽范围输入型升降压三电平直流变换器，其特征在于，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：

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