CN204465377U - 一种并串联交错式三端口变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种并串联交错式三端口变换器，包括光伏阵列、Boost升压电路、直流侧储能电容、蓄电池、两个半桥变换器、升压变压器，其中两半桥变换器原边支路并联、副边绕组串联，两个半桥开关管互补导通；直流侧到电网之间等效为全桥变换器；蓄电池到电网之间等效成交错并联正反激变换器；光伏输入到蓄电池之间等效为交错并联双向Buck/Boost变换器，通过调节两个半桥变换器桥臂开关管的占空比可实现三端口能量的传送。本实用新型具有拓扑结构简单、体积小、成本低等优点，解决了传统半桥三端口变换器光伏侧能量和蓄电池电压/功率不易控制的技术难点，提高了***效率。

Description

一种并串联交错式三端口变换器

技术领域

本实用新型涉及一种并串联交错式三端口变换器，属于智能微电网技术领域。

背景技术

随着社会经济的发展，人类对电力的需求日益增大，而能源危机和环境污染的日益加重，促进了人类对新能源发电技术的研究。光伏发电技术具有的各种优势使其成为未来发电的主导方式之一，发展前景巨大，成为近年来研究的热点。为了实现微电网的连续、稳定供电，由此形成了由光伏能源、储能装置和负载构成的三端口功率***。

三端口功率***的传统方案需要采用多个独立的两端口变换器，***所用变换器数量多，导致重量和占地面积大；且存在多级功率变换，***效率不高。三端口变换器是近年发展形成的一类新型变换器，通过一个变换器可以同时实现光伏能量、蓄电池和配电网的功率管理和控制。其集成度高、功率密度高、效率高、体积小、成本低等优点成为了国内外的研究热点，并被应用于智能微电网***中。

半桥三端口变换器是在半桥变换器基础上衍生和发展起来的一类三端口变换器，具有拓扑结构简单、适用于中小功率***等优势，但目前构造的半桥三端口变换器存在以下技术难点：变换器的导通损耗高、开关管结电容与变压器漏感谐振产生电压尖峰，这些问题亟待解决。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种并串联交错式三端口变换器。

本实用新型的技术方案如下：

一种并串联交错式三端口变换器，所述三端口变换器包括光伏阵列、Boost升压电路、直流侧储能电容、蓄电池、两个半桥变换器、升压变压器；所述三端口变换器的三个端口分别与光伏输入端、蓄电池和电网相连：所述光伏阵列通过Boost升压电路与光伏输入端连接，所述直流侧储能电容包括分压储能电容C₁和分压储能电容C₂，所述分压储能电容C₁和分压储能电容C₂位于光伏输入端与半桥变换器之间，所述分压储能电容C₂与蓄电池并联，所述蓄电池与半桥变换器并联，所述两个半桥变换器通过升压变压器与电网相连。本实用新型通过将两个半桥变换器的原边并联，升压变压器副边绕组串联，在原边开关管互补导通的前提下，引入移相控制形成的新的功率控制变量，以实现负载侧的功率控制，满足了三端口功率***的控制需求。

优选的，所述Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、二极管和IPM模块S₀；所述光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀与IPM模块S₀三者串联形成电流回路，所述IPM模块S₀、二极管与光伏输入端串联形成电流回路，所述光伏侧储能电容C₀与光伏阵列并联。

优选的，所述两个半桥变换器的开关管选用型号为FDP2532的开关管。

本实用新型的工作原理：光伏输入端到电网之间等效为全桥变换器；蓄电池到电网之间等效成交错并联正反激变换器，其中两路正反激的输入并联、输出串联；光伏输入到蓄电池之间等效为交错并联双向Buck/Boost变换器；升压变压器充当滤波电感的作用。由光伏输入、蓄电池和电网构成的三端口功率***中，需要同时实现其中两个端口电压或电流的控制，第三个端口则用来平衡功率关系。

根据光伏能量、电网和蓄电池的功率约束关系，当输入源功率大于并网功率时，多余的功率向蓄电池充电，蓄电池处于充电模式，且充电平均电流等于两个变压器激磁电感平均电流之和；当光伏能源功率少于需拟定的并网功率时，不足的功率由蓄电池补充，蓄电池处于放电模式，且放电平均电流等于两个激磁电感平均电流之和。因此，激磁电感电流，也即变压器绕组原边电流的偏置电流，就直观反应了蓄电池的充放电情况。

本实用新型的有益效果在于：

1、本实用新型三端口变换器相比传统的三端口***需要采用多个独立的两端口变换器，该装置拓扑结构简单、体积小、成本低，适用于中小功率应用。

2、本实用新型三端口变换器不会增加额外的功率损耗，不会因漏感谐振产生较严重的电压尖峰，提高了***效率。

3、本实用新型三端口变换器解决了传统半桥三端口变换器光伏侧能量和蓄电池电压/功率不易控制的技术难点，减少了传统三端口变换器的数量，提高了***效率。

附图说明

图1为本实用新型并串联交错式三端口变换器拓扑。

图2为本实用新型并串联交错式三端口变换器工作模态波形。

其中：u_g—电网电压；C₀—光伏侧储能电容；L₀—Boost升压电感；C₁、C₂—直流侧储能电容；T₁、T₂—升压变压器；L₁、L₂—变压器原边激磁电感；S₀-S₄—IPM模块；u_dc—直流侧电压；u_b—蓄电池电压；u_d—两串联变压器原边电压；u_d1—变压器T1原边电压；u_d2—变压器T2原边电压；i_L1、i_L2—两变压器原边电流；K₁—并网开关。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本实用新型做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种并串联交错式三端口变换器，所述三端口变换器包括光伏阵列、Boost升压电路、直流侧储能电容、蓄电池、两个半桥变换器、升压变压器；所述三端口变换器的三个端口分别与光伏输入端、蓄电池和电网相连：所述光伏阵列通过Boost升压电路与光伏输入端连接，所述直流侧储能电容包括分压储能电容C₁和分压储能电容C₂，所述分压储能电容C₁和分压储能电容C₂位于光伏输入端与半桥变换器之间，所述分压储能电容C₂与蓄电池并联，所述蓄电池与半桥变换器并联，所述两个半桥变换器通过升压变压器与电网相连。本实用新型通过将两个半桥变换器的原边并联，升压变压器副边绕组串联，在原边开关管互补导通的前提下，引入移相控制形成的新的功率控制变量，以实现负载侧的功率控制，满足了三端口功率***的控制需求。

其中，所述Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、二极管和IPM模块S₀；所述光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀与IPM模块S₀三者串联形成电流回路，所述IPM模块S₀、二极管与光伏输入端串联形成电流回路，所述光伏侧储能电容C₀与光伏阵列并联。

所述两个半桥变换器的开关管选用型号为FDP2532的开关管。

根据光伏能量、电网和蓄电池的功率约束关系，当输入源功率大于并网功率时，多余的功率向蓄电池充电，蓄电池处于充电模式，且充电平均电流等于两个变压器激磁电感平均电流之和；当光伏能源功率少于需拟定的并网功率时，不足的功率由蓄电池补充，蓄电池处于放电模式，且放电平均电流等于两个激磁电感平均电流之和。因此，激磁电感电流，也即变压器绕组原边电流的偏置电流，就直观反应了蓄电池的充放电情况。

参照图2，以蓄电池充电模式为例，详细分析变换器在离网模式下的工作原理。变换器在一个开关周期有4个主要的开关模态，其主要工作波形如附图2所示。

a)开关模式1[t_a-t_b]：t_a时刻之前，S₂、S₄开通，S₁、S₃关断；t_a时刻，S₁开通、S₂关断，u_d等于u_dc和u_b的差值，i_L线性增加，变压器原边绕组电压u_d1和u_d2极性相反，u_d两端电压等于输入电压u_dc，输入源向负载馈送功率，两变压器原边激磁电感的电流状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{u_{\mathrm{dc}}-u_b}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=-\frac{u_b}{L_2}\end{array}\right.---\left(1\right)$

b)开关模式2[t_b-t_c]：t_b时刻，S₃开通、S₄关断，u_d1由负值变为正值，u_d1和u_d2极性相同，幅值相等，因此总的绕组电压u_d等于0，光伏能量通过电感L₁和L₂向蓄电池充电，两变压器原边激磁电感的电流状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=\frac{u_{\mathrm{dc}}-u_b}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{u_{\mathrm{dc}}-u_b}{L_2}\end{array}\right.---\left(2\right)$

c)开关模式3[t_c-t_d]：t_c时刻，S₂开通、S₁关断，u_d1由正值变为负值，u_d1和u_d2极性相反，此时变压器原边绕组上的总电压为-u_dc，光伏能量通过两个变压器向负载馈送能量，两变压器原边激磁电感的电流状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=-\frac{u_b}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=\frac{{u_{\mathrm{dc}}-u}_b}{L_2}\end{array}\right.---\left(3\right)$

d)开关模式4[t_d-t_e]：t_d时刻，S₄开通、S₃关断，u_d2由正值变为负值，u_d1和u_d2极性相同，幅值相等，此时变压器原边绕组上的总电压为0，电感L₁和L₂通过S₂和S₄续流，两变压器原边激磁电感的电流状态方程为：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{di}}_{L1}}{\mathrm{dt}}=-\frac{u_b}{L_1}\\ \frac{{\mathrm{di}}_{L2}}{\mathrm{dt}}=-\frac{u_b}{L_2}\end{array}\right.---\left(4\right)$

假设两个变压器的参数完全一致，L₁＝L₂，开关管S1和S₃的占空比都等于d，根据变压器激磁电感的伏秒平衡关系可知：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_b={\mathrm{du}}_{\mathrm{dc}}\\ u_{\mathrm{dc}}=\frac{1}{d}{u}_b\end{array}---\left(5\right)\right.$

由该式可知：通过调节开关管的占空比d就能实现输入源端电压的控制。输入源电压基准由Boost升压电路最大功率提供(离网模式)，通过调节输入电压来控制输入源的功率，可实现蓄电池充电控制。

若处于并网模式下，变压器原边电压与电网电压幅值成倍数关系，相位相同，通过调节并网电流实现能量的馈送；无论处于离网模式还是并网模式，光伏能量通过调节Boost升压电路，使得***处于最大功率状态。

Claims (3)

1.一种并串联交错式三端口变换器，其特征在于，所述三端口变换器包括光伏阵列、Boost升压电路、直流侧储能电容、蓄电池、两个半桥变换器、升压变压器；所述三端口变换器的三个端口分别与光伏输入端、蓄电池和电网相连：所述光伏阵列通过Boost升压电路与光伏输入端连接，所述直流侧储能电容包括分压储能电容C₁和分压储能电容C₂，所述分压储能电容C₁和分压储能电容C₂位于光伏输入端与半桥变换器之间，所述分压储能电容C₂与蓄电池并联，所述蓄电池与半桥变换器并联，所述两个半桥变换器通过升压变压器与电网相连。

2.如权利要求1所述的并串联交错式三端口变换器，其特征在于，所述Boost升压电路包括光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀、二极管和IPM模块S₀；所述光伏侧储能电容C₀、Boost升压电感L₀与IPM模块S₀三者串联形成电流回路，所述IPM模块S₀、二极管与光伏输入端串联形成电流回路，所述光伏侧储能电容C₀与光伏阵列并联。

3.如权利要求1或2所述的并串联交错式三端口变换器，其特征在于，所述两个半桥变换器的开关管选用型号为FDP2532的开关管。