專利名稱：雙向雙輸入buck直流變換器及其功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙半橋開關(guān)組串聯(lián)LC濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是一種雙向雙輸入BUCK直流變換器及其功率分配方法。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，人們越來越重視可再生能源的開發(fā)利用。可再生能源具有廉價、可靠、清潔無污染、能源豐富等特點(diǎn)，因此可再生能源發(fā)電展現(xiàn)了良好的市場前景。目前，應(yīng)用較多的可再生能源發(fā)電形式有光伏發(fā)電，燃料電池供電、風(fēng)力發(fā)電、水利發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等等，但均存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變化等特點(diǎn)，因此需要采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中，每種能源形式通常需要一個DC/DC變換 器，將各種能源變成直流輸出，并聯(lián)在公共的直流母線上，供給直流負(fù)載，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且成本較高。為了簡化電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，可以用一個多輸入直流變換器(Multiple-Input Converter, MIC)代替多個單輸入直流變換器。MIC允許多種能源輸入，輸入源的性質(zhì)、幅值和特性可以相同，也可以差別很大，多輸入源可以分別或同時向負(fù)載供電，因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，并且降低系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法均較簡單，且能實(shí)現(xiàn)能量的自動分配利用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，每個脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。以光伏電池(A源)和蓄電池(B源)作為兩個輸入電壓源，根據(jù)電路中能量的傳遞，雙向雙輸入BUCK直流變換器存在五種工作模態(tài)，其一是A、B同時供電，其二是A單獨(dú)供電，其三是B單獨(dú)供電，其四是A供電，B儲能，C耗能，其五是A供電，B儲能，C反饋。為了保證雙向雙輸入BUCK直流變換器有效工作，本發(fā)明還提供了一種雙向雙輸入BUCK直流變換器功率分配方法，該方法包括對兩個輸入源提供功率和負(fù)載回饋功率的控制，電源A以最大功率輸入，電源B作為功率緩沖單元，當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A提供的功率時，電源B放電，當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源提供的功率時，電源B充電，電源A為光伏電池，通過最大功率跟蹤算法保持最大功率輸入，電源B為蓄電池，通過一個帶反向輸出的調(diào)節(jié)器(例如PI調(diào)節(jié)器)進(jìn)行能量自動分配當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A輸入功率時，調(diào)節(jié)器輸出為正值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M2的占空比，控制電源B的放電功率；當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源A輸入功率時，負(fù)載電壓升高，調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M4的占空比，控制電源B的充電功率,維持負(fù)載電壓穩(wěn)定。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的雙向雙輸入BUCK直流變具有這樣的有益效果本發(fā)明具有重量輕、體積小、成本低、損耗小、電路的效率高、輸出電壓波形中的紋波小、不需要隔離變壓器等特點(diǎn)。采用兩路能量輸入，可充分利用新能源，并能雙向傳遞能量，實(shí)現(xiàn)能量優(yōu)化利用。易實(shí)現(xiàn)模塊化，易擴(kuò)展應(yīng)用。本發(fā)明與雙輸入BUCK電路相比，能實(shí)現(xiàn)能量回饋。由于在原來的雙輸入基礎(chǔ)上增加了雙向的功能，當(dāng)負(fù)載需要的功率較多時，兩個輸入源同時給負(fù)載供電，與傳統(tǒng)的雙輸入BUCK電路相同，當(dāng)負(fù)載需要的功率較少時，新能源發(fā)出的電能大于負(fù)載需要的能量，通過適當(dāng)?shù)目刂疲瑢?shí)現(xiàn)能量反向流動，將多余的能量儲存在蓄電池中，當(dāng)新能源發(fā)出的電能不足時，蓄電池再放電，以維持輸出電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化分配。


圖I為本發(fā)明的雙向雙輸入BUCK直流變換器電氣原理圖；圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的A、B同時供電的等效電路；圖4為本發(fā)明的A獨(dú)立供電等效電路；圖5為本發(fā)明的B獨(dú)立供電等效電路；圖6為本發(fā)明的A供電，B儲能，C耗能等效電路；圖7為本發(fā)明的A供電，B儲能，C反饋等效電路；圖8為本發(fā)明的仿真波形；圖9為本發(fā)明在太陽能汽車電機(jī)系統(tǒng)中的電氣原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明的一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，一個脈沖電壓源是由太陽能電池A和半橋開關(guān)組組成，另一個脈沖電壓源是由蓄電池B和半橋開關(guān)組組成，它們均是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。V1、V2分別是兩個輸入源的輸入電壓，C端為負(fù)載端，MpM2、M3、M4是開關(guān)管，Dp D2、D3、D4是續(xù)流二極管，L是濾波電感，C是濾波電容。光伏電池以最大功率輸入，當(dāng)負(fù)載消耗的功率大于光伏電池提供的功率時，蓄電池放電以提供不足的負(fù)載功率，當(dāng)負(fù)載消耗的功率小于光伏電池提供的功率時，則多余的功率用于給蓄電池充電。根據(jù)電路中能量的傳遞，變換器存在五種工作模態(tài)，其一是A、B同時供電，其二是A單獨(dú)供電，其三是B單獨(dú)供電，其四是A供電，B儲能，C耗能，其五是A供電，B儲能，C反饋。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，在雙向雙輸入BUCK直流變換器中，選擇主從控制方式分配兩路輸入源輸入功率，太陽能電池A作為主供電設(shè)備，蓄電池B為后備能源供電設(shè)備，這也符合可再生能源供電系統(tǒng)對能源的優(yōu)先利用的要求。同時調(diào)節(jié)A源輸入電流參考值以實(shí)現(xiàn)太陽電池的最大功率輸出，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum PowerPoint Tracking, MPPT)。如圖3所示A、B同時供電的等效電路。當(dāng)MpM2開通時，k增大，A與B串聯(lián)同時向C供電，V0=V^V2,電流通路為V2-M2-V1-M1-L-C15當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時，電感L通過D3、D4續(xù)流，向C供電，V0=O,電流通路為D4-D3-L-C15在這個工作模態(tài)下，iL恒大于零，A、B向C輸出
倉tfi。如圖4所示A獨(dú)立供電等效電路。當(dāng)M1開通時，電感電流k增加，A向C供電，V0=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時，電感L通過D3、D4續(xù)流，向C供電， V0=O,電流通路為L-C-D4-D315在這個工作模態(tài)下，iL恒大于零，A向C輸出能量。如圖5所示B獨(dú)立供電等效電路。當(dāng)M2開通時，電感電流k增加，B向C供電，V0=V2,電流通路為V2-M2-D3-L-C15當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時，電感通過03為續(xù)流，D向C供電，V。=。，電流通路為L-C-D4-D315在這個工作模態(tài)下，iL恒大于零，B向C輸出能量。如圖6所示A供電、B儲能、C耗能等效電路。當(dāng)M1開通時，電感電流k增加，A向C供電，Vtj=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時，電感通過D3、D4續(xù)流，向C供電，iL減小，V0=O,電流通路為L-C-D4-D315當(dāng)M3、M4開通時，電感電流L反向增加，L儲能，電流通路為C-L-M3-M4。接下來將M4關(guān)斷，D2導(dǎo)通，iL反向減小，給B儲能，電流通路為c-l-m3-d2-b。在這個工作模態(tài)下，k過零，但平均值大于零。如圖7所示A供電、B儲能、C反饋等效電路。當(dāng)M1開通時，電感電流L增加，A向C供電，V0=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時，電感通過D3、D4續(xù)流，向C供電，Il減小，V0=O,電流通路為L-C-D4-D3O接下來M3> M4開通，iL反向增加，L儲能，電流通路為C-L-M3-M4。再接下來將M4關(guān)斷，這時D2將導(dǎo)通，k反向減小，給B儲能，電流通路為c-l-m3-d2-b。在這個工作模態(tài)下，k過零，但平均值小于零。如圖8所示其中(a)為負(fù)載切換信號，(b)為輸出電壓波形，(C)為電感L電流波形。首先，兩輸入源同時供電，穩(wěn)定后，切除部分負(fù)載，使A源輸入功率大于負(fù)載功率，自動切換到能量回饋工作模態(tài)。按照其工作模態(tài)不同可以分為兩個工作階段階段I :兩個輸入源同時給負(fù)載供電，其中對A源進(jìn)行最大功率跟蹤，使A源以最大功率輸入。通過電壓調(diào)節(jié)器控制B源輸入的功率，使其提供不足的功率。從(b)中可以看出輸出電壓穩(wěn)定在50V，從(c)中可以看出電感電流恒大于零。階段2 :切除部分負(fù)載，導(dǎo)致瞬態(tài)功率不平衡，A源通過最大功率跟蹤算法，工作在最大功率點(diǎn)，并保持恒定，由于輸出電壓大于給定值，使電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出減小，變?yōu)樨?fù)值，B源切換到儲能工作模態(tài)，使輸入功率和負(fù)載消耗功率平衡。從(b)中可以看出輸出電壓通過調(diào)節(jié)又穩(wěn)定在50V，從(c)中可以看出電感電流有正的部分和負(fù)的部分，說明可以進(jìn)行能量回饋，自動實(shí)現(xiàn)能量分配。在以上工作過程中，也包含了兩輸入源單獨(dú)給負(fù)載供電和負(fù)載側(cè)回饋能量的工作模態(tài)，這里不在詳細(xì)說明。通過仿真證明本發(fā)明所提出拓?fù)浜凸β史峙浞椒ǖ目尚行院驼_性。下面以該拓?fù)湓谔柲芷囍械膽?yīng)用為例進(jìn)行說明
圖9為該發(fā)明在太陽能汽車電機(jī)系統(tǒng)中的電氣原理圖，其具體實(shí)施步驟如下I、太陽能電池和蓄電池同時給電機(jī)系統(tǒng)供電，當(dāng)汽車啟動或者重載時，需求功率較大，按照本發(fā)明所提出的功率分配方法，對太陽能電池進(jìn)行最大功率跟蹤，控制M1通斷，使太陽能電池以最大功率給電機(jī)系統(tǒng)供電，再控制M2通斷，使蓄電池提供不足的功率，這樣可以充分利用太陽能，相對于單電源供電，可以提高瞬時功率。2、太陽能電池單獨(dú)供電，當(dāng)蓄電池故障或者太陽能電池正好滿足電機(jī)系統(tǒng)需求時，太陽能電池單獨(dú)供電。此時，通過控制M1通斷，保持功率平衡，確保電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。3、蓄電池單獨(dú)供電。在陰天或者太陽能電池故障時，蓄電池單獨(dú)供電。通過電壓調(diào)節(jié)器控制M2的通斷，穩(wěn)定輸出電壓，滿足電機(jī)系統(tǒng)需求。4、太陽能電池供電，蓄電池儲能，電機(jī)系統(tǒng)耗能。當(dāng)光照較強(qiáng)烈，太陽能電池發(fā)出的功率大于電機(jī)系統(tǒng)需求的功率時，控制M3, M4的通斷，將太陽能多余的功率儲存到蓄電池中，避免能量浪費(fèi)，光能得以充分利用。 5、太陽能電池供電，蓄電池儲能，電機(jī)系統(tǒng)回饋能量。當(dāng)汽車在制動或者下坡時，電機(jī)系統(tǒng)工作在再生制動狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到輸入側(cè)，在這種情況下，太陽能電池發(fā)出的能量和電機(jī)系統(tǒng)回饋的能量都要儲存到蓄電池中，通過最大功率跟蹤，控制M1通斷，使太陽能電池以最大功率輸出，控制M3, M4通斷，將能量儲存到蓄電池中，避免能量浪費(fèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，其特征在于每個脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。
2.一種雙向雙輸入BUCK直流變換器的功率分配方法其特征在于它包括對兩個輸入源提供功率和負(fù)載回饋功率的控制，電源A以最大功率輸入，電源B作為功率緩沖單元，當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A提供的功率時，電源B放電，當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源提供的功率時，電源B充電，電源A為光伏電池，通過最大功率跟蹤算法保持最大功率輸入，電源B為蓄電池，通過一個帶反向輸出的調(diào)節(jié)器進(jìn)行能量自動分配當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A輸入功率時，調(diào)節(jié)器輸出為正值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M2的占空比，控制電源B的放電功率；當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源A輸入功率時，負(fù)載電壓升高，調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M4的占空t匕，控制電源B的充電功率，維持負(fù)載電壓穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙向雙輸入BUCK直流變換器及其功率分配方法，一種雙向雙輸入BUCK直流變換器它包括兩個BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，其特征在于每個脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。本發(fā)明具有重量輕、體積小、成本低、損耗小、電路的效率高、輸出電壓波形中的紋波小、不需要隔離變壓器等特點(diǎn)。
文檔編號H02J7/35GK102882370SQ20121033685
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者孫孝峰, 劉飛龍, 李偉松, 李昕 申請人:燕山大學(xué)