具有寬運(yùn)行范圍和低EMI特性的非隔離三端口變換器

王紅艷 田巧玉 沈毅斌 余 濤

（四川大學(xué)錦江學(xué)院 四川 眉山 620010）

0 引言

近年來，以光伏為代表的新能源發(fā)電系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用，但由于可再生能源輸出功率會(huì)隨著環(huán)境的變化而波動(dòng)，存在輸出電能間歇性的問題。因此，光伏發(fā)電系統(tǒng)通常都會(huì)配備蓄電池等儲(chǔ)能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)光伏電池與負(fù)載之間的功率平衡，進(jìn)而滿足用戶對(duì)供電連續(xù)性與平穩(wěn)性的要求[1-2]。在傳統(tǒng)的光伏/儲(chǔ)能系統(tǒng)中，采用多個(gè)二端口變換器實(shí)現(xiàn)各電源端和負(fù)載端之間的能量管理與控制，但其存在系統(tǒng)體積大、成本高、損耗大無法實(shí)現(xiàn)各個(gè)端口之間集中式控制等問題。與傳統(tǒng)方案相比，采用多端口變換器接口光伏/儲(chǔ)能系統(tǒng)具有器件數(shù)量少，集成度高，效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)集中式控制等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛關(guān)注[3-4]。在典型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)中，通過一個(gè)三端口變換器就可以實(shí)現(xiàn)光伏輸入端、儲(chǔ)能端和負(fù)載端的能量控制。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)三端口變換器進(jìn)行了大量研究，三端口變換器根據(jù)端口之間是否存在電氣隔離分為隔離型三端口變換器和非隔離型三端口變換器。隔離型三端口變換器端口間有電氣隔離，但器件數(shù)量多、體積大、設(shè)計(jì)復(fù)雜，適用于功率較大的場(chǎng)合。非隔離性三端口變換器器件數(shù)量少、拓?fù)浜?jiǎn)單、功率密度高，因此在中小功率的場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用[5-7]。

但非隔離型三端口變換也存在一些問題[8]，如文獻(xiàn)[7]所提拓?fù)涓鞫丝诳刂葡嗷オ?dú)立，控制易于實(shí)現(xiàn)，但是各端口間電壓有限制。例如，負(fù)載電壓必須小于蓄電池電壓，而實(shí)際光伏電池和儲(chǔ)能設(shè)備的電壓會(huì)隨環(huán)境和荷電狀態(tài)的變化而發(fā)生較大變化，這無疑增加了變換器的設(shè)計(jì)難度，也限制了該變換器的寬范圍運(yùn)行。而文獻(xiàn)[8、9]所提的變換器具有高集成度和高效率的特點(diǎn)，但是端口電流不連續(xù)，增加了變換器的（Electromagnetic Interference,EMI）設(shè)計(jì)難度，也難以進(jìn)行電流控制。

為了解決上述問題，本文提出了一種拓?fù)浜?jiǎn)單、開關(guān)器件少、功率密度高的非隔離型三端口變換器。該變換器在Cuk變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行推演，擁有與Cuk變換器同樣輸入輸出電流連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，提高了變換器整體的電磁兼容性。此外所提拓?fù)溆行У亟鉀Q了文獻(xiàn)[9]所提出拓?fù)浯嬖诟鞫丝陔妷捍笮∈芟薜膯栴}，各端口電壓之間可以靈活控制，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的寬范圍運(yùn)行。

1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 電路結(jié)構(gòu)

本文提出的三端口變換器是在Cuk變換器的基礎(chǔ)上，增加兩個(gè)開關(guān)管和兩個(gè)二極管構(gòu)成，電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，包含3個(gè)開關(guān)管 （S1～S3），4個(gè)二極管（D1～D4），輸入電容Cin，中間電容C1，輸出電容Co，電感（L1、L2），輸入源光伏電池Vpv，蓄電池VBat以及輸出電阻Ro。

圖1 非隔離三端口變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

其中光伏電池最大功率輸出是通過調(diào)節(jié)控制開關(guān)管S1實(shí)現(xiàn)，變換器輸出電壓是通過控制開關(guān)管S2和S3來調(diào)節(jié)蓄電池的充放電功率而實(shí)現(xiàn)。

1.2 工作原理

本文所提出的三端口變換器有兩種工作模式。如圖2（a）所示，當(dāng)光伏電池輸出功率超過負(fù)載所需時(shí)，光伏電池以最大功率輸出，但此時(shí)蓄電池工作在充電吸收功率狀態(tài)，光伏電池同時(shí)為蓄電池和負(fù)載提供能量，變換器工作在單輸入雙輸出模式 （Single-input Dual-output,SIDO）。 如圖 2（b）所示，當(dāng)光伏電池輸出功率小于負(fù)載所需時(shí)，光伏電池輸出最大功率，蓄電池則工作在放電輸出功率狀態(tài)，二者同時(shí)為負(fù)載提供能量，變換器工作在雙輸入單輸出模式 （Dual-input Single-output,DISO）。

圖2 所提變換器功率流示圖

SIDO模式：在該模式下，光伏電池同時(shí)為蓄電池和負(fù)載提供能量。圖3為電路在該模式下相應(yīng)工作波形，其中TS為工作周期，vsi和dsi分別為開關(guān)管Si（i=1、2、3）的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和占空比。iL1為通過電感L1的電流，iL2為通過電感L2的電流。該模式下開關(guān)管S3不參與工作，而處于關(guān)斷狀態(tài)，開關(guān)管S1控制光伏電池輸出功率，開關(guān)管S2控制負(fù)載端輸出電壓。一個(gè)工作周期內(nèi)，變換器在該模式下存在3種工作模態(tài)。

圖3 單輸入雙輸出模式下工作波形

模態(tài) 1[t0～t1]：t0時(shí)刻，S1和S2均導(dǎo)通，D4正向?qū)?，等效電路如圖4（a）所示。光伏電池與L1構(gòu)成一個(gè)回路，光伏電池為L(zhǎng)1充電，iL1儲(chǔ)能線性增大。C1釋放能量為L(zhǎng)2、Co、Ro充電，iL2儲(chǔ)能線性增大。當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，模態(tài)1結(jié)束。

模態(tài) 2[t1～t2]：t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，S2繼續(xù)導(dǎo)通，D2和D4正向?qū)?，等效電路如圖4（b）所示。光伏電池、L1和C1構(gòu)成一個(gè)回路，光伏電池與L1為C1充電，iL1線性減小。L2放電為Ro和Co提供能量，iL2線性減小。當(dāng)開關(guān)管S2關(guān)斷時(shí)，模態(tài)2結(jié)束。

模態(tài) 3[t2～t3]：t2時(shí)刻，S2關(guān)斷，D2、D3、D4正向?qū)?，等效電路如圖 4（c）所示。光伏電池、L1、C1和蓄電池構(gòu)成一個(gè)回路，光伏電池與L1為C1和蓄電池充電，蓄電池和C1儲(chǔ)存能量，此時(shí)iL1仍線性減小，但相對(duì)于模態(tài)2，由于本模態(tài)同時(shí)需要向蓄電池釋放能量，因此下降斜率增大。同時(shí)L2仍放電為Ro和Co提供能量，iL2線性減小。直到開關(guān)管S1、S2導(dǎo)通，變換器工作模態(tài)3結(jié)束，并開始下一個(gè)工作周期。

DISO模式：在該模式下，光伏電池和蓄電池同時(shí)為負(fù)載提供能量。圖5為電路在該模式下相應(yīng)工作波形，該模式下開關(guān)管S2一直處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管S1控制光伏電池輸出功率，開關(guān)管S3控制負(fù)載端輸出電壓。同樣，一個(gè)工作周期內(nèi)，變換器在該模式下存在3種工作模態(tài)。

圖4 單輸入雙輸出模式下工作模態(tài)等效電路

圖5 雙輸入單輸出模式下工作波形

模態(tài) 1[t0～t1]：t0時(shí)刻，S1和S3均導(dǎo)通，等效電路如圖6（a）所示。光伏電池、L1與蓄電池構(gòu)成一個(gè)回路，蓄電池處于放電釋放能量狀態(tài)，與光伏電池共同為L(zhǎng)1充電，則iL1儲(chǔ)能線性增大。C1放電為L(zhǎng)2、Co以及Ro提供能量，iL2儲(chǔ)能線性增大。當(dāng)開關(guān)管S3關(guān)斷時(shí)，模態(tài)1結(jié)束。

模態(tài) 2[t1～t2]：t1時(shí)刻，S3關(guān)斷，S1繼續(xù)導(dǎo)通，D4正向?qū)?，等效電路如圖6（b）所示。光伏電池與L1構(gòu)成一個(gè)回路，并為L(zhǎng)1充電，iL1線性增長(zhǎng)，但iL1增長(zhǎng)斜率相較于模態(tài)1減小，因?yàn)樵诒灸B(tài)只有光伏電池為其充電。C1仍放電為L(zhǎng)2、Co以及Ro提供能量，iL2儲(chǔ)能線性增大。當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷時(shí)，模態(tài)2結(jié)束。

模態(tài) 3[t2～t3]：t2時(shí)刻，S1關(guān)斷，D2、D4正向?qū)?，等效電路如圖6（c）所示。光伏電池、L1和C1構(gòu)成一個(gè)回路，光伏電池與L1同時(shí)為C1充電，L1釋放能量，iL1線性減小。L2放電為Ro和Co提供能量，則iL2線性減小。直到開關(guān)管S1、S3導(dǎo)通，變換器工作模態(tài)3結(jié)束，并開始下一個(gè)工作周期。

圖6 雙輸入單輸出模式下工作模態(tài)等效電路

2 穩(wěn)態(tài)分析

2.1 電壓增益分析

由上述內(nèi)容可知，所提非隔離三端口變換器各端口電壓分別為Vpv、VBat以及Vo。為了得出三個(gè)端口對(duì)應(yīng)電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)的關(guān)系，本節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)分析。

由1.2節(jié)可知變換器端口間能量的傳遞由電感L1、電感L2以及中間電容C1承擔(dān)，在SIDO模式下，可得到每個(gè)模態(tài)的電感電壓以及中間電容的電流大?。?/p>

當(dāng)S1與S2均導(dǎo)通時(shí)：VL1=Vpv、VL2=-VC1-Vo、iC1=iL2。

當(dāng)S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通時(shí)：VL1=Vpv、VBat-VC1-VC1、VL2=Vo、iC1=-iL1。

當(dāng)S1與S2均關(guān)斷時(shí)：VL1=Vpv-VBat-VC1、VL2=-Vo、Vo、iC1=-iL1。

根據(jù)伏秒平衡原理，對(duì)L1可得：

同理對(duì)L2可得：

根據(jù)安秒平衡原理，對(duì)C1可得：

整理（1）～（3）式可得：

同理分析變換器在DISO模式下三個(gè)端口電壓間的關(guān)系，根據(jù)伏秒平衡原理和安秒平衡原理對(duì)L1、L2以及C1可得：

整理式（6）～（8）可得：

2.2 電路關(guān)鍵參數(shù)選擇分析

（1）電感選型原則：由于所述變換器是以Cuk變換器為基礎(chǔ)，且根據(jù)上述原理分析，可知所述變換器CCM與電感電流斷續(xù) （Discontinuous Current Mode，DCM）工作模式的確定方法與Cuk變換器工作模式的確定方法相似[12]。因此為了得出變換器可工作在CCM的條件，需求出電感的臨界值Lc1與Lc2，以及其等效臨界電感值Lce（Lce=Lc1||Lc2）。此外所述變換器工作在SIDO模式下DCM的可能性比DISO模式下更大，因此，如果變換器在SIDO模式下可保證CCM，則其他模式也可以獲得CCM。

因此，以SIDO模式進(jìn)行分析，電感電流在穩(wěn)態(tài)時(shí)有：

電感電流臨界連續(xù)時(shí)有：

整理式（11）和（12）可得出臨界電感L1c、L2c以及等效臨界電感值Lce：

由此可得電感選型原則為：如果Le（L1||L2）>Lce，則所述變換器工作在CCM模式；如果Le

（2）開關(guān)管選型原則：根據(jù)上述工作原理分析，可以綜合DISO與SIDO兩種工作模式在穩(wěn)態(tài)狀況下各開關(guān)管的電壓電流應(yīng)力，作為開關(guān)管的選型原則：

3 仿真及結(jié)果分析

為了驗(yàn)證所述變換器的正確性與可行性，在PSIM軟件中搭建了仿真電路，選擇電路仿真參數(shù)如下：變換器工作頻率fS=50 kHz，電感L1=300 μH，電感L2=300 μH，電容C1=100 μF，電容Co=1 000 μF，輸出參考電壓Vo_ref=48 V，光伏電池最大功率點(diǎn)電壓Vpv=25 V，最大功率點(diǎn)電流Ipv=5 A，蓄電池電壓VBat=36 V。

3.1 穩(wěn)態(tài)分析

當(dāng)負(fù)載Ro=22 Ω時(shí)，進(jìn)行仿真驗(yàn)證。圖7為所述變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)的波形圖，其中光伏電池輸出電流Ipv=5 A，可知光伏電池工作在最大功率輸出狀態(tài)，則Ppv=125 W。此外由輸出電壓波形可知Vo穩(wěn)定在48 V，那么輸出功率Po=Vo2/Ro=104.7 W。Ppv>Po，則所述變換器應(yīng)工作在SIDO模式，光伏電池為蓄電池和負(fù)載同時(shí)提供能量。

圖7 單輸入雙輸出模式下仿真波形

根據(jù)電感電流iL1與iL2以及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)VS1與VS2波形可知，開關(guān)管S1與S2導(dǎo)通時(shí)，iL1線性增大，iL2線性增大。當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷后，iL1線性減小，iL2線性減小。當(dāng)開關(guān)管S2關(guān)斷后，iL2以不變斜率線性減小，但iL1下降斜率增大，由蓄電池電流iBat可知，此時(shí)正是蓄電池充電時(shí)期，符合所述變換器的工作原理，仿真結(jié)果與圖3理論分析一致。

同理，圖8為變換器工作在DISO模式下的波形。負(fù)載Ro=17 Ω，Po=135.5 W。Ppv

圖8 雙輸入單輸出模式下仿真波形

3.2 動(dòng)態(tài)分析

為了驗(yàn)證所述變換器可根據(jù)端口能量變化，而在SIDO與DISO兩種工作模式間切換，通過對(duì)輸入光伏電池輸出功率以及負(fù)載端需求功率進(jìn)行突變仿真，電路仿真參數(shù)設(shè)置不變。

光伏輸出功率波動(dòng)：負(fù)載需求功率保持110 W不變，在0.3 s時(shí)，模擬光伏電池受到天氣影響，太陽光突然減弱，輸出功率從125 W突降為100 W，則變換器應(yīng)進(jìn)行工作模式調(diào)節(jié)。圖9（a）所示是變換器在該調(diào)節(jié)過程中的相應(yīng)波形，由ipv波形可知，光伏電池輸出電流從5 A降到4 A，輸出功率小于負(fù)載所需，根據(jù)iBat由正變?yōu)樨?fù)的波形可知，蓄電池也從充電狀態(tài)調(diào)節(jié)至放電狀態(tài)。而輸出電壓Vo與io也經(jīng)過一段調(diào)整期重新進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，變換器完成了從SIDO模式到DISO模式的切換。

同理，負(fù)載需求功率保持110 W不變，在0.3 s時(shí)，光伏電池輸出功率從100W突升為125 W。圖9（b）是變換器從DISO模式切換到SIDO模式的波形，根據(jù)ipv、Vo、io以及iBat的調(diào)節(jié)過程可知變換器模式切換是可行的。

圖9 輸入功率波動(dòng)下工作模式切換波形

負(fù)載功率跳變：光伏輸出功率保持125 W不變，在0.3 s時(shí)，負(fù)載需求功率從110 W突升到130 W，由圖10中iBat波形可知，蓄電池電流由正變?yōu)樨?fù)，從充電模式轉(zhuǎn)換為放電模式，變換器從原來的SIDO模式調(diào)節(jié)至DISO模式，而輸出電壓Vo與輸出電流io也經(jīng)過一段時(shí)間調(diào)節(jié)后又重新穩(wěn)定，由此可知變換器模式切換的可行性。

圖10 負(fù)載功率波動(dòng)下工作模式切換波形

4 結(jié)論

本文提出了一種應(yīng)用于光伏系統(tǒng)的非隔離三端口變換器，分析了該變換器的工作原理與工作特性，并通過仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。所提變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅通過三個(gè)開關(guān)器件就可實(shí)現(xiàn)端口間的能量控制；

（2）變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí)三個(gè)端口的電壓關(guān)系靈活，適用于光伏電池、儲(chǔ)能單元等電壓變化范圍寬的系統(tǒng)，從而使系統(tǒng)具有寬范圍運(yùn)行的能力；

（3）變換器光伏輸入端口和負(fù)載端口電流均連續(xù)，從而減小了系統(tǒng)能量的損耗、控制的復(fù)雜度以及EMI的設(shè)計(jì)難度。