一種變結構多輸入高增益直流變換器的制造方法
【專利摘要】本發明的目的是提供一種變結構多輸入高增益直流變換器電路拓撲。該直流變換器既能實現多種可再生能源的聯合發電，又能實現電壓等級較低的太陽能單獨發電時的高增益，同時又不增加系統的成本和復雜度。
【專利說明】一種變結構多輸入高增益直流變換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及可再生能源聯合并網發電領域。
【背景技術】
[0002]由于世界能源形勢的日益緊張，以及環境污染嚴重、全球變暖等原因，可再生能源的開發和利用越來越受到人們的重視。隨著以可再生能源為代表的微型能源發電技術、分布式發電技術以及儲能技術的飛速發展，混合能源系統正在逐漸成為研究的熱點。目前，應用較多的可再生能源發電主要有光伏發電、風力發電、水力發電、地熱發電等，但均存在電力供應不穩定、不連續、隨氣候條件變化等缺點，因此需要采用多種可再生能源聯合供電的分布式并網發電系統。
[0003]在傳統的可再生能源聯合發電系統中，每種能源形式均需要一個DC/DC變換器，將各能源變換成直流電壓輸出，并聯在公共的直流母線上，供給直流負載，然而存在變換器電路結構復雜、成本較高等缺點。為了簡化電路結構、降低系統成本，采用一個多輸入直流變換器(Mult1-1nput DC/DC converter, MIC)代替多個單輸入直流變換器已成為一種必然的發展趨勢。MIC允許多種能源輸入，輸入源的性質、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載供電，因此提高了系統的穩定性和靈活性，實現能源的優先利用，并且降低了系統成本。
[0004]值得注意的是，在多種可再生能源聯合供電的分布式發電系統中，直流輸入源的電壓等級各不相同。其中，經過合理的設計，風能經過變換后的直流電壓較高，一般可控制在150V以上；而受限于各個光伏電池板之間的相互影響，光伏電池板不能串聯過多，否則整個模塊的性能會大大降低，這間接導致了光伏電池板模組的端電壓相對過低，一般在33V~43V。為滿足220V單相或380V三相并網電壓的要求，可再生能源聯合并網發電系統中的直流母線電壓一般在3 80V或760V以上，這就使得MIC電路必須兼具較大的升壓能力(即高增益)，才能夠實現對多種不同電壓等級的輸入源進行調節控制，達到滿足并網發電的要求。因此，研究一種多輸入高增益直流變換器，是構建可再生能源聯合并網發電系統的基礎。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是提供一種既能實現多種可再生能源的聯合發電，又能實現電壓等級較低的太陽能單獨發電時的高增益，同時又不增加系統的成本和復雜度，為可再生能源聯合發電系統提供一種研究思路。
[0006]為實現本發明目的而采用的技術方案是這樣的，一種變結構多輸入高增益直流變換器，包括η個開關電容單元，η為大于I的自然數。
[0007]第j個開關電容單元包括二極管Djl、二極管Dj2、電容Cjl和電容Cj2，其中，j = 1、
2......η。二極管E^1的陰極與電容?_2的正極連接，電容Cp的負極與二極管Dp的陰極連接，
二極管^的陽極連接電容h的正極，電容h的負極與二極管^的陽極連接。電容h的正極與二極管Dp陰極之間連接有源開關管S」。所述有源開關管S」的兩端連接供電單元。
[0008]第I個開關電容單元中的二極管D11的陰極與二極管Dtl的陽極連接。所述二極管D0的陰極串聯電容Ctl后，與第η個開關電容單元中的二極管Dn2的陽極連接。
[0009]第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陽極連接低頻開關Qtmgk的一端，所述低頻開關Qtongk的另一端連接第k+ I個開關電容單元中的二極管D(k+1)1的陰極。第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陽極連接低頻開關Qfm (2k —D的一端，所述低頻開關Qfen (2k —1}的另一端連接第k+ I個開關電容單元中的二極管D(k+m的陽極。第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陰極連接低頻開關Qfm (2k)的一端，所述低頻開關Qfm (2k)的另一端連接第k +
I個開關電容單元中的二極管D(k+1)1的陰極。其中，k=l、2......(η — I)。
[0010]進一步地，η個開關電容單元對應η個供電單元，第j個供電單元中的電壓源Uinj所輸出電壓的1/(1-D)倍加在所述第j個開關電容單元中的有源開關管S」的兩端。
[0011]作為優選，每一個供電單元中還包括一個低頻開關和一個電感:第j個供電單元中的電壓源Uiiy.的一端依次串聯低頻開關L和電感Lp通過控制低頻開關L的通斷，選擇性地將電壓源接入電路。
[0012]本發明的技術效果是毋庸置疑的，該變換器具有如下優點:
[0013]I)升壓能力強，控制電路簡單，輸入電流紋波小；
[0014]2)在開關電容電壓累加器中，所有開關管、二極管和電容的電壓應力小；
[0015]3)電容電壓應力小，因而降低了對電容的要求，減小了電路體積和成本；
[0016]4)任何供電單元單獨工作或所有供電單元同時工作時，所有開關電容單元都參與工作，因而元器件利用率高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1可再生能源聯合并網發電系統結構圖，
[0018]圖2基于SCVA的變結構多輸入高增益直流變換器工作原理圖，
[0019]圖3并聯型SCVA拓撲結構，
[0020]圖4串并聯型SCVA拓撲結構(兩個串聯，其它均并聯)，
[0021]圖5串并聯型SCVA拓撲結構(三個串聯，其它均并聯)，
[0022]圖6串聯型SCVA拓撲結構，
[0023]圖7開關電容單元，
[0024]圖8基于SCVA的變結構三輸入高增益直流變換器，
[0025]圖9不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:分時供電模式等效電路，
[0026]圖10不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:供電單元I和2同時工作等效電路，
[0027]圖11不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:供電單元I和3同時工作等效電路1，
[0028]圖12不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:供電單元I和
3同時工作等效電路2，
[0029]圖13不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:供電單元2和3同時工作等效電路，
[0030]圖14不同工作條件下變結構多輸入高增益直流變換器的等效電路:三個供電單元同時工作等效電路。
【具體實施方式】
[0031]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明，但不應該理解為本發明上述主題范圍僅限于下述實施例。在不脫離本發明上述技術思想的情況下，根據本領域普通技術知識和慣用手段，做出各種替換和變更，均應包括在本發明的保護范圍內。
[0032]實施例1:
[0033]本實施例針對可再生能源聯合并網發電系統，公開一種具有三個單元的變結構多輸入高增益直流變換器，參見圖8，包括3個開關電容單元和3個供電單元。
[0034]參見圖7，第j個開關電容單元包括二極管Djl、二極管Dj2、電容Cjl和電容Cj2，其中，j = 1、2、3。即第I個開關電容單元包括二極管Dn、二極管D12、電容C11和電容C12 ;第2個開關電容單元包括二極管D21、二極管D22、電容C21和電容C22 ;第3個開關電容單元包括二極管D31、二極管D32、電容C31和電容C32。二極管^的陰極與電容Cp的正極連接，電容Cj2的負極與二極 管Dp的陰極連接，二極管^的陽極連接電容h的正極，電容h的負極與二極管Djl的陽極連接。電容Cjl的正極與二極管Dj2陰極之間連接有源開關管Sj。所述有源開關管S」的兩端連接供電單元。
[0035]第I個開關電容單元中的二極管D11的陰極與二極管Dtl的陽極連接。所述二極管D0的陰極串聯電容Ctl后，與第3個開關電容單元中的二極管D32的陽極連接。電容Ctl的兩端并聯負載，
[0036]第I個開關電容單元中的二極管D12的陽極連接低頻開關Qtmgl的一端，所述低頻開關Qtmgl的另一端連接第2個開關電容單元中的二極管D21的陰極。第I個開關電容單元中的二極管D12的陽極連接低頻開關Qfml的一端，所述低頻開關Qfml的另一端連接第2個開關電容單元中的二極管D21的陽極。第I個開關電容單元中的二極管D12的陰極連接低頻開關Qfen2的一端，所述低頻開關Qfm2的另一端連接第2個開關電容單元中的二極管D21的陰極。
[0037]第2個開關電容單元中的二極管D22的陽極連接低頻開關Qtmg2的一端，所述低頻開關Qtong2的另一端連接第3個開關電容單元中的二極管D31的陰極。第2個開關電容單元中的二極管D22的陽極連接低頻開關Qfm3的一端，所述低頻開關Qfm3的另一端連接第3個開關電容單元中的二極管D31的陽極。第2個開關電容單元中的二極管D22的陰極連接低頻開關Qfm4的一端，所述低頻開關Qfm4的另一端連接第3個開關電容單元中的二極管D31的陰極。
[0038]本實施例中，3個開關電容單元對應3個供電單元--第I個供電單元中的電壓源Uinl所輸出的電壓加在所述第I個開關電容單元中的有源開關管SI的兩端、第2個供電單元中的電壓源Uin2所輸出的電壓加在所述第2個開關電容單元中的有源開關管S2的兩端、第3個供電單元中的電壓源Uin3所輸出的電壓加在所述第3個開關電容單元中的有源開關管S3的兩端。每一個供電單元中還包括一個低頻開關和一個電感--第I個供電單元中的電壓源Uinl的正極依次串聯低頻開關T1和電感L1后，與有源開關管S1的漏極連接；電壓源Uinl的正極與有源開關管S1的源極連接。第2個供電單元中的電壓源Uin2的正極依次串聯低頻開關T2和電感L2后，與有源開關管S2的漏極連接；電壓源Uin2的正極與有源開關管S2的源極連接。第3個供電單元中的電壓源Uin3的正極依次串聯低頻開關T3和電感L3后，與有源開關管S3的漏極連接；電壓源Uin3的正極與有源開關管S3的源極連接。
[0039]實施例2:
[0040]本實施例針對可再生能源聯合并網發電系統，公開一種開關電容電壓累加器(Switched-Capacitor Voltage Accumulator, SCVA),并在此基礎上進一步提出一種變結構多輸入高增益直流變換器(Variable-Structure High-Gain Multiple-1nputConverter, VSHG-MIC)拓撲。由該拓撲構成的可再生能源聯合并網發電系統如圖1所示。基于VSHG-MIC可實現多種可再生能源的聯合供電，又能實現電壓等級較低的太陽能等單獨供電時高增益，VSHG-MIC電路的結構示意圖如圖2所示，在多種可再生能源聯合供電時，VSHG-MIC電路與普通的MIC電路工作一樣，相當于多個電壓源的串聯調制，能夠實現對多個輸入源能量分配和管理的控制，滿足直流母線電壓的工作要求；在電壓等級較低的太陽能等單獨供電時，利用同一套電路元件，通過一定的切換控制，改變電路的結構，使電路切換到一個單輸入的高增益變換器，滿足太陽能等并網發電時高增益的要求。
[0041]值得說明的是，VSHG-MIC電路拓撲的構成原則是:同一套電路兀件，在良好的互易性及平等性的前提下，假以實施簡單的輔助切換和連接器件及相應電路，既可多輸入高增益工作也可單輸入高增益工作，將不同結構有機集成到一個通用的可變結構中，以適應當前工作環境的改變。
[0042]實施例中，SCVA拓撲結構如圖3~6所示，拓撲結構由若干個開關電容單元(Cell)(如圖7所示)構成，其中兩個電容的規格參數相同，兩個二極管的規格參數也相同，即第j個(每一個)開關電容單元包括二極管和二極管Dp相同、電容h和電容?_2相同，
j=l、2......η。由此構成一種半對稱結構，因而這兩個電容上的端電壓相等。按照開關電容
單元之間的連接方式，可以將SCVA分為若`干種電路拓撲結構:
[0043](I)并聯型SCVA:所有開關電容單元之間互相并聯，可得到實現分時供電的SCVA電路拓撲，即任意時刻只有一個供電單元工作，如圖3所示(只給出Uinl單獨供電時的電路拓撲)。
[0044](2)串并聯型SCVA:以兩個開關電容單元串聯接入和三個開關電容單元串聯接入為例進行闡述。①兩個開關電容單元串聯接入，可得到實現兩個供電單元同時工作的SCVA電路拓撲，如圖4所示三個開關電容單元串聯接入，可得到實現三個供電單元同時工作的SCVA電路拓撲，如圖5所示。
[0045](3)串聯型SCVA:所有開關電容單元之間互相串聯，可得到實現同時供電的SCVA電路拓撲，即任意時刻N個供電單元(即所有供電單元)同時工作，如圖6所示。
[0046]為了更詳細地闡述基于SCVA的變結構多輸入高增益直流變換器的工作原理，本實施例以實施例1所公開的變結構三輸入高增益直流變換器為例(如圖8所示)。根據開關電容單元的半對稱性，每個單元中兩個電容電壓相等，因此每個開關電容單元中電容電壓均用相同的電壓符號標識，分別為低頻開關Qtmgl、 Qtong2、Qfenl、Qfen2 Λ Qfen3、Qfen4、
T2、T3均為低頻開關，構成變結構控制的關鍵環節。其中，控制Qtmgl、Qtong2> Qfenl> Qfen2>Qfen3> Qfen4的導通與關斷實現同時供電與分時供電的相互切換，控制T2, IV..的導通與關斷實現各個供電單元的接入與斷開。在分時供電模式下，任何時刻T1、T2, T3中只有一個開關處于導通狀態，即只有一個供電單元接入；在同時供電模式下，任何時刻TpTyT3中任何兩個或所有開關都處于導通狀態，即有兩個供電單元或所有供電單元全部接入。
[0047](I)分時供電模式:當低頻開關Qtmgl、Qtmg2關斷且Qfml、Qfm2、Qfm3、Qfm4導通時，變換器進入分時供電模式，所有開關電容單元互相并聯，構成并聯型SCVA。控制低頻開關1\、T2, T3并使得其中任何一個開關處于導通狀態，即可實現分時供電功能，以供電單元3接入為例(?\、Τ2關斷，T3導通)，其等效電路如圖9所示。對其工作原理進行分析，可得分時供電時該變換器的輸出電壓大小為:
[0048]
【權利要求】
1.一種變結構多輸入高增益直流變換器，其特征在于:包括η個開關電容單元，η為大于I的自然數； 第j個開關電容單元包括二極管Djl、二極管Dj2、電容Cjl和電容Cj2，其中，j = 1、2……η ;二極管h的陰極與電容Cp的正極連接，電容?_2的負極與二極管Dp的陰極連接，二極管^的陽極連接電容h的正極，電容h的負極與二極管^的陽極連接；電容h的正極與二極管Dp陰極之間連接有源開關管S」；所述有源開關管S」的兩端連接供電單元； 第I個開關電容單元中的二極管D11的陰極與二極管Dtl的陽極連接；所述二極管Dtl的陰極串聯電容Ctl后，與第η個開關電容單元中的二極管Dn2的陽極連接； 第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陽極連接低頻開關Qtongk的一端，所述低頻開關Qtongk的另一端連接第k + I個開關電容單元中的二極管D(k+1)1的陰極；第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陽極連接低頻開關Qfm (2k —n的一端，所述低頻開關Qfen (2k —15的另一端連接第k + I個開關電容單元中的二極管D(k+m的陽極；第k個開關電容單元中的二極管Dk2的陰極連接低頻開關Qfen (2k)的一端，所述低頻開關Qfm (2k)的另一端連接第k十I個開關電容單元中的二極管D(k+m的陰極；其中，k = 1、2......(η — I)。
2.根據權利要求1所述的變結構多輸入高增益直流變換器，其特征在于:η個開關電容單元對應η個供電單元，第j個供電單元中的電壓源Uiiu.所輸出電壓的I/(1-D)倍加在所述第j個開關電容單元中的有源開關管Sj的兩端。
3.根據權利要求2所述的變結構多輸入高增益直流變換器，其特征在于:每一個供電單元中還包括一個低頻開關和一個電感:第j個供電單元中的電壓源Uinj的一端依次串聯低頻開關L和電感Lj。
【文檔編號】H02M3/07GK103825453SQ201410068072
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月26日 優先權日:2014年2月26日
【發明者】侯世英, 陳劍飛, 王儷蓉, 陳復, 王玉峰, 陳柯雨, 劉孜宇, 畢曉輝, 龔嫄, 孫韜 申請人:重慶大學, 國網重慶市電力公司市區供電分公司