專利名稱：光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口dc/dc變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種DC/DC變換器，具體是一種用于光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用的三端口DC/DC變換器。
背景技術(shù)：
太陽能和風(fēng)能是一種清潔、分布廣泛的可再生能源，也是具有大規(guī)模開發(fā)和商業(yè)化發(fā)展前景的新能源。利用各式各樣的發(fā)電系統(tǒng)可將他們轉(zhuǎn)換成具有不同特性的電能。我國大部分地區(qū)白天陽光強風(fēng)小，晚上陽光弱風(fēng)大；夏季陽光強風(fēng)小，冬、春季陽光弱風(fēng)大?？梢姽夥l(fā)電和風(fēng)力發(fā)電具有天然的互補特性，風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)比單獨的風(fēng)力系統(tǒng)或光伏系統(tǒng)有穩(wěn)定的電能輸出。風(fēng)光互補發(fā)電系統(tǒng)各個電源模塊經(jīng)過各自的兩端口變換器連接到直流母線或負(fù)載上，這增加了系統(tǒng)元器件的數(shù)量和成本，需要同時考慮不同兩端口變換器的工作情況才能使他們協(xié)同工作輸出穩(wěn)定的電壓，致使系統(tǒng)控制起來較復(fù)雜，輸出電壓的功率密度不高。兩個端口既能單獨工作，又能同時工作的三端口變換器既減少了元器件的數(shù)量，同時也簡化了系統(tǒng)的總體控制方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種風(fēng)能和太陽能混合發(fā)電用DC/DC變換器的拓?fù)潆娐方Y(jié)構(gòu)，用較少的元器件實現(xiàn)雙端口輸入、單端口輸出的三端口 DC/DC變換器。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口 DC/DC變換器包括第一輸入端口、第二輸入端口和一個輸出端口，所述第一輸入端口正端連接第二開關(guān)管漏極端，第二開關(guān)管源極端連接第三電容的一端、第一二極管陽極、第一電感的一端，第一二極管陰極連接第一電容的一端、第二電感的一端、第二二極管陽極，第二二極管陰極連接第三二極管陽極和第二電容的一端，第二電容另一端連接第二電感另一端和第一開關(guān)管漏極端；第三電容的另一端與第三二極管陰極相連，并連接第四二極管陽極和第二輸入端口負(fù)端，第四二極管陰極連接第三開關(guān)管源極端和第零電感的一端，第三開關(guān)管漏極端連接第二輸入端口正端；第零電感另一端連接輸出端口正端，并連接第零電容一端，第零電容另一端和第一開關(guān)管源極端、第一電容另一端、第一電感另一端、第一輸入端口負(fù)端相連，并連接輸出端口負(fù)端；所述第二開關(guān)管、第三電容、第一二極管、第一電感、第一電容、第二電感、第二二極管、第三二極管、第二電容、第一開關(guān)管、第零電感和第零電容組成羅氏變換器復(fù)舉電路；所述第四二極管和第三開關(guān)管組成Buck變換器；第一輸入端口為羅氏變換器復(fù)舉電路的輸入端，第二輸入端口為Buck變換器的輸入端，輸出端口連接負(fù)載；利用PWM脈沖控制所述第二開關(guān)管、第一開關(guān)管和第三開關(guān)管的工作，從而使第一輸入端口、第二輸入端口單獨或者同時給負(fù)載供能。所述第一輸入端口接入光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓直流電源，第二輸入端口接入風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓直流電源；第二開關(guān)管和第一開關(guān)管的工作狀態(tài)保持一致。
當(dāng)所述第二開關(guān)管和第一開關(guān)管工作，第三開關(guān)管不工作，第一輸入端口電源單獨向負(fù)載供能，第二輸入端口不給負(fù)載供能。當(dāng)所述第二開關(guān)管和第一開關(guān)管不工作，第三開關(guān)管工作，第一輸入端口不給負(fù)載供能，第二輸入端口電源單獨給負(fù)載供能。當(dāng)所述第二開關(guān)管、第一開關(guān)管和第三開關(guān)管都工作，第一輸入端口電源和第二輸入端口電源同時給負(fù)載供能。當(dāng)所述第二開關(guān)管、第一開關(guān)管和第三開關(guān)管都不工作，第一輸入端口和第二輸入端口都不向負(fù)載供能。本發(fā)明的優(yōu)點是將光伏和風(fēng)能這個兩個能源發(fā)出的電在一個DC/DC變換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。控制3個開關(guān)管的工作狀態(tài)，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能和風(fēng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的電能既可以單獨給負(fù)載供能，也可以同時給負(fù)載供能，相互之間不受影響。本發(fā)明提高了電站運行的穩(wěn)定性和可靠性，減少系統(tǒng)變換器的用量，節(jié)省投資，發(fā)電經(jīng)濟好。
圖1是本發(fā)明所述的變換器外部結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明所述的變換器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。圖3是輸入電源Vsi單獨給負(fù)載提供電能的等效電路圖。圖4 (a)是輸入電源Vs2單獨工作的等效電路圖。圖4 (b)是圖4 (a)等效的Buck變換器電路圖。圖5是輸入電壓Vsi和Vs2同時工作時4種工作狀態(tài)的等效電路，其中，
圖5 (a)是第一種狀態(tài)等效電路，圖5 (b)是第二種狀態(tài)等效電路，圖5 (C)是第三種狀態(tài)等效電路，圖5 (d)是第四種狀態(tài)等效電路。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。為了將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的低壓電源和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)輸出的高壓電源在一個系統(tǒng)中同時利用起來給負(fù)載提供電能，本發(fā)明提出了一種高/低壓雙端口輸入、單端口輸出的三端口 DC/DC變換器。所述DC/DC變換器包括一個高壓輸入端、一個低壓輸入端和一個電壓輸出端口，如圖1所示。本發(fā)明由Buck變換器嵌入羅氏變換器復(fù)舉電路所合成，電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示，嵌入點為羅氏變換器復(fù)舉電路的電容C、二極管D和電感LO之間，Buck變換器中的二極管D’的陰極連接電感LO，陽極連接電容C和二極管D的負(fù)極。復(fù)舉電路的輸入電源Vsi為低壓源，Buck變換器的輸入電壓Vs2為高壓源。如圖2所示，電路中的三個開關(guān)管(S，SI和S’ )全部采用MOSFET元件，電路具體連接關(guān)系為第一輸入端口 Vsi正端連接第二開關(guān)管S漏極端，第二開關(guān)管S源極端連接第三電容C的一端、第一二極管Dl陽極、第一電感LI的一端，第一二極管Dl陰極連接第一電容Cl的一端、第二電感L2的一端、第二二極管D2陽極，第二二極管D2陰極連接第三二極管D陽極和第二電容C2的一端,第二電容C2另一端連接第二電感L2另一端和第一開關(guān)管SI漏極端；第三電容C的另一端與第三二極管D陰極相連，并連接第四二極管D’陽極和第二輸入端口 Vs2負(fù)端，第四二極管D’陰極連接第三開關(guān)管S’源極端和第零電感LO的一端，第三開關(guān)管S’漏極端連接第二輸入端口 Vs2正端；第零電感LO另一端連接輸出端口正端，并連接第零電容CO—端，第零電容CO另一端和第一開關(guān)管SI源極端、第一電容Cl另一端、第一電感LI另一端、第一輸入端口 Vsi負(fù)端相連,并連接輸出端口負(fù)端；所述第二開關(guān)管S、第三電容C、第一二極管Dl、第一電感L1、第一電容Cl、第二電感L2、第二二極管D2、第三二極管D、第二電容C2、第一開關(guān)管S1、第零電感LO和第零電容CO組成羅氏變換器復(fù)舉電路；所述第四二極管D’和第三開關(guān)管S’組成Buck變換器；第一輸入端口 Vsi為羅氏變換器復(fù)舉電路的輸入端，第二輸入端口 Vs2為Buck變換器的輸入端,輸出端口連接負(fù)載。所述第一輸入端口 Vsi接入光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓直流電源，第二輸入端口 Vs2接入風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓直流電源。開關(guān)管S和SI的狀態(tài)保持一致，控制Vsi的電源，當(dāng)這兩個開關(guān)管工作時，Vsi向負(fù)載供能，這兩個開關(guān)管不工作時，電源Vsi不向負(fù)載供能。開關(guān)管S’控制Vs2的電源，即當(dāng)S’工作時，Vs2向負(fù)載供能，S’不工作時，電源Vs2不向負(fù)載供能。這樣，控制3個開關(guān)管的工作情況就能控制輸入端Vsi和Vs2向負(fù)載供能,Vsi和Vs2既可以單獨工作，又可以同時工作，相互之間不受影響。利用PWM脈沖，控制3個開關(guān)管的工作情況可使Vsi和Vs2的輸入電源單獨或者同時給負(fù)載供能。當(dāng)開關(guān)管S和SI工作，S’不工作時，只有Vsi給負(fù)載提供電能，等效電路圖如圖3所示。由圖3可知，等效電路比羅氏變換器的復(fù)舉電路多了二極管D’。該電路正常工作時，無論開關(guān)管S導(dǎo)通與否，二極管D’都是正向?qū)ǖ模虼藞D3與復(fù)舉電路等效。當(dāng)開關(guān)管S和SI不工作，S’工作時，輸入電源Vs2單獨給負(fù)載提供電能，等效電路圖如圖4 (a)。當(dāng)開關(guān)管S’導(dǎo)通，二極管D’承受反向電壓Vs2而截止，Vs2通過D1、D2和D給電感LO和LI充電，給負(fù)載供能；當(dāng)開關(guān)管S’斷開，電感LO和LI通過續(xù)流二極管D1、D2、D和D’續(xù)流，向負(fù)載提供電能。無論開關(guān)管是否導(dǎo)通，二極管D1、D2和D都是正向?qū)ǖ?，可以將他們視作?dǎo)線，兩個串聯(lián)的電感LO和LI可等效成一個電感L。此電路等效于Buck變換器，如圖4 (b)所示。當(dāng)開關(guān)管S和SI工作，S’也工作時，輸入電源Vsi和Vs2同時給負(fù)載提供電能。根據(jù)3個開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷情況，電路有四種工作情況。第一種情況S和SI導(dǎo)通，S’關(guān)斷，等效電路如圖5 (a)所示。由于S’關(guān)斷，輸入端Vs2不對電路供能。另一個輸入端Vsi同時給儲能元件電感L1、L2和電容Cl、C2充電儲存能量，二極管D兩端承受反向電壓而截至。此外，Vsi還通過電容C給負(fù)載供電，忽略電感LO電壓，輸出電壓\等于輸入電壓Vsi與電容C兩端電壓\之和。此時的電路與羅氏變換器復(fù)舉電路開關(guān)管導(dǎo)通時的電路等效。第二種情況S和SI關(guān)斷，S’導(dǎo)通，等效電路圖如圖5 (b)所示。開關(guān)管S和SI關(guān)斷，電感L1、L2通過電容Cl、C2和二極管D續(xù)流給電容C充電，使二極管Dl和D2承受反向電壓而截止。由于開關(guān)管S’導(dǎo)通，二極管D’兩端也承受反向電壓而截至，電源Vs2通過Cl、L2、C2和D向電感LO充電儲能，向負(fù)載提供電能。第三種情況S和SI導(dǎo)通，S’導(dǎo)通，等效電路圖如圖5 (C)所示。三個開關(guān)管同時導(dǎo)通，二極管D和D’承受反向電壓而截止。輸入端電壓Vsi通過開關(guān)管S和SI給儲能元件L1、Cl、L2和C2充電，于此同時，輸入端電源Vsi和Vs2與電容C串聯(lián)給電感LO和負(fù)載提供能量。忽略電感LO電壓，輸出電壓Vtj等于輸入電壓Vsi和Vs2與電容C電壓V。之和。第四種情況:S和SI關(guān)斷，S’關(guān)斷，等效電路圖如圖5 (d)所示。在此情況下，開關(guān)管S和SI關(guān)斷，電感L1、L2通過電容C1、C2和二極管D續(xù)流給電容C充電，使二極管Dl和D2承受反向電壓而截止。電感1^0通過(:1、1^2、02、0和續(xù)流二極管0’續(xù)流放電。由上可以看出，本發(fā)明有以下特點:1.本發(fā)明涉及的三端口變換器比兩端口變換器具有明顯的優(yōu)勢:較少的元器件數(shù)量，較高的功率密度，較小的體積以及較低的成本，控制起來更簡單。2.本發(fā)明涉及的三端口 DC/DC變換器的兩個輸入電源既能同時工作，又能單獨工作，相互之間不受影響。3.調(diào)節(jié)開關(guān)管 的占空比，本發(fā)明涉及的三端口變換器輸出端能夠輸出較大帶寬的電壓。
權(quán)利要求
1.光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是:包括第一輸入端口(VS1)、第二輸入端口(Vs2)和一個輸出端口，所述第一輸入端口(Vsi)正端連接第二開關(guān)管(S)漏極端，第二開關(guān)管(S)源極端連接第三電容(C)的一端、第一二極管(Dl)陽極、第一電感(LI)的一端，第一二極管(Dl)陰極連接第一電容(Cl)的一端、第二電感(L2)的一端、第二二極管(D2)陽極，第二二極管(D2)陰極連接第三二極管(D)陽極和第二電容(C2)的一端，第二電容(C2)另一端連接第二電感(L2)另一端和第一開關(guān)管(SI)漏極端；第三電容(C)的另一端與第三二極管(D)陰極相連，并連接第四二極管(D’)陽極和第二輸入端口(Vs2)負(fù)端，第四二極管(D’)陰極連接第三開關(guān)管(S’)源極端和第零電感(LO)的一端，第三開關(guān)管(S’)漏極端連接第二輸入端口(Vs2)正端；第零電感(LO)另一端連接輸出端口正端，并連接第零電容(CO) —端,第零電容(CO)另一端和第一開關(guān)管(SI)源極端、第一電容(Cl)另一端、第一電感(LI)另一端、第一輸入端口(Vsi)負(fù)端相連,并連接輸出端口負(fù)端；所述第二開關(guān)管(S)、第三電容(C)、第一二極管(D1)、第一電感(LI)、第一電容(Cl)、第二電感(L2)、第二二極管(D2)、第三二極管(D)、第二電容(C2)、第一開關(guān)管(SI)、第零電感(LO)和第零電容(CO)組成羅氏變換器復(fù)舉電路；所述第四二極管(D’)和第三開關(guān)管(S’)組成Buck變換器；第一輸入端口(Vsi)為羅氏變換器復(fù)舉電路的輸入端，第二輸入端口(Vs2)為Buck變換器的輸入端，輸出端口連接負(fù)載；利用PWM脈沖控制所述第二開關(guān)管(S)、第一開關(guān)管(SI)和第三開關(guān)管(S’)的工作，從而使第一輸入端口(VS1)、第二輸入端口(Vs2)單獨或者同時給負(fù)載供能。
2.如權(quán)利要求1所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是，所述第一輸入端口(Vsi)接入光伏發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓直流電源，第二輸入端口(Vs2)接入風(fēng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓直流電源；第二開關(guān)管(S)和第一開關(guān)管(SI)的工作狀態(tài)保持一致。
3.如權(quán)利要求1所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是，當(dāng)所述第二開關(guān)管(S)和第一開關(guān)管(SI)工作，第三開關(guān)管(S’)不工作，第一輸入端口(Vsi)電源單獨向負(fù)載供能，第二輸入端口(Vs2)不給負(fù)載供能。
4.如權(quán)利要求1所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是，當(dāng)所述第二開關(guān)管(S)和第一開關(guān)管(SI)不工作，第三開關(guān)管(S’)工作，第一輸入端口(Vsi)不給負(fù)載供能，第二輸入端口(Vs2)電源單獨給負(fù)載供能。
5.如權(quán)利要求1所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是，當(dāng)所述第二開關(guān)管(S)、第一開關(guān)管(SI)和第三開關(guān)管(S’)都工作，第一輸入端口(Vsi)電源和第二輸入端口(Vs2)電源同時給負(fù)載供能。
6.如權(quán)利要求1所述光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用三端口DC/DC變換器，其特征是，當(dāng)所述第二開關(guān)管(S)、第一開關(guān)管(SI)和第三開關(guān)管(S’)都不工作，第一輸入端口(Vsi)和第二輸入端口都不向負(fù)載供能。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種DC/DC變換器，用于光伏和風(fēng)能混合發(fā)電用的三端口DC/DC變換器，兩個輸入端口分別為光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的低壓直流電源VS1輸入端和風(fēng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的高壓直流電源VS2輸入端，該變換器由Buck變換器嵌入羅氏變換器復(fù)舉電路所合成，VS1作為復(fù)舉電路的輸入電壓，VS2作為Buck變換器的輸入電源。利用PWM脈沖，控制變換器中三個開關(guān)管的工作狀態(tài)，光伏系統(tǒng)產(chǎn)生的電能和風(fēng)能系統(tǒng)產(chǎn)生的電能既可以單獨給負(fù)載供能，也可以同時給負(fù)載供能，相互之間不受影響。本發(fā)明提高了電站運行的穩(wěn)定性和可靠性，減少系統(tǒng)變換器的用量，節(jié)省投資。
文檔編號H02M3/10GK103078497SQ20131000118
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月4日
發(fā)明者潘庭龍, 楊才俊, 沈艷霞, 吳定會, 趙芝璞, 紀(jì)志成 申請人:江南大學(xué)