基于中心抽头变压器的四端口变换器及控制方法

本发明涉及电力电子技术领域，特别是基于中心抽头变压器的四端口变换器及控制方法。

背景技术：

随着社会的进步和发展，人类对能源的需求越来越大。然而，传统的煤炭、石油等化石能源在地球的存储量有限，同时使用化石能源存在环境污染和温室气体排放。考虑到传统化石能源供应的有限性及对环境的影响，寻求可再生清洁能源来代替传统化石能源已经成为解决能源问题的主要途径，可再生能源发电系统的使用正在急剧增加。主要的可再生能源有太阳能、风能和燃料电池等，这些可再生能源在有效解决环境污染和能源危机方面的巨大潜力而受到越来越多的关注。然而，由于可再生能源的发电功率受气候和其他环境条件的影响具有波动性和间歇性特征，可再生能源通常与蓄电池、超级电容等储能系统相结合，为负载、微电网或并网逆变器提供稳定可靠的电能。

为了实现新能源、储能元件与负载之间的有效结合，传统结构是将多个新能源、储能元件通过独立的dc/dc变换器接到直流母线上，以直流的形式输出向负载供电，这需要采用多个独立两端口dc/dc变换器组合构成功率管理与控制系统。这种系统结构的优势为变换器设计简单，理论研究和实际应用都十分成熟；缺点是变换器数目多、系统功率密度低且体积重量大、成本较高，并且存在多级功率变换，效率较低、系统整体可靠性不高。多端口变换器能很好的将多个独立变换器集成在一起，连接新能源、储能元件和负载。然而，现有的多端口变换器往往只包括一个负载端，仅能提供一个电压等级的直流母线，无法满足多个不同电压等级的负载同时接入系统的要求，并且还存在输入端口和输出端口之间没有隔离，电压增益有限，效率和可靠性较低等问题。

技术实现要素：

本发明针对上述问题，提出了基于中心抽头变压器的四端口变换器。该变换器能够同时输出对称且共地的双极性电压，采用中心抽头变压器做输入与输出的隔离，且采用一个变换器即可实现两个功率源和多个负载同时接入系统，并能够通过相应的控制实现源和负载之间的能量管理。

实现本发明目的的第一技术方案为：基于中心抽头变压器的四端口变换器，所述中心抽头变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；还包括第一输入源vin1和具有充电/放电功能的第二输入源vin2；第一输入源vin1和第二输入源vin2给原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电；第一副边绕组的同名端连接到二极管d1的阳极和开关管s5的漏极，第一副边绕组的非同名端连接到第二副边绕组的同名端，第二副边绕组的非同名端连接到二极管d2的阳极和开关管s6的漏极；d1和d2的阴极连接到二极管d3的阳极，s5和s6的源极连接到二极管d4的阴极；d3的阴极连接到电容co1的一端，d4的阳极连接到电容co2的一端，co1的另一端和co2的另一端连接到第一副边绕组的非同名端；co1的两端用于连接第一负载，co2的两端用于连接第二负载。

第二技术方案为：基于中心抽头变压器的四端口变换器，所述中心抽头变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；还包括第一输入源vin1和具有充电/放电功能第二输入源vin2；第一输入源vin1和第二输入源vin2给原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电；第一副边绕组的同名端连接到二极管d1的阳极和二极管d2的阴极，第一副边绕组的非同名端连接到第二副边绕组的同名端，第二副边绕组的非同名端连接到开关管s5的源极和开关管s6的漏极；d1的阴极和s5的漏极连接到二极管d3的阳极，d1的阳极和s6的源极连接到二极管d4的阴极；d3的阴极连接到电容co1的一端，d4的阳极连接到电容co2的一端，co1的另一端和co2的另一端连接到第一副边绕组的非同名端；co1的两端用于连接第一负载，co2的两端用于连接第二负载。

第三技术方案为：基于中心抽头变压器的四端口变换器，所述中心抽头变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；还包括第一输入源vin1和具有充电/放电功能的第二输入源vin2；第一输入源vin1和第二输入源vin2给原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电；第一副边绕组的同名端连接到二极管d1的阳极和二极管d2的阴极，第一副边绕组的非同名端连接到第二副边绕组的同名端，第二副边绕组的非同名端连接到二极管d3的阳极和二极管d4的阴极；d1和d3的阴极连接到二极管d5的阳极，d2和d4的阳极连接到二极管d6的阴极；d5的阴极连接到开关管s5的漏极和电容co1的一端，d6的阳极连接到开关管s6的源极和电容co2的一端，s5的源极连接到d3的阳极，co1的另一端和co2的另一端连接到第一副边绕组的非同名端；co1的两端用于连接第一负载，co2的两端用于连接第二负载。

第四技术方案为：基于中心抽头变压器的四端口变换器，所述中心抽头变压器包括原边绕组、第一副边绕组和第二副边绕组；还包括第一输入源vin1和具有充电/放电功能的第二输入源vin2；第一输入源vin1和第二输入源vin2给原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电；第一副边绕组的同名端连接到二极管d1的阳极和二极管d2的阴极，第一副边绕组的非同名端连接到第二副边绕组的同名端，第二副边绕组的非同名端连接到二极管d3的阳极和二极管d4的阴极；d1和d3的阴极连接到二极管d5的阳极，d2和d4的阳极连接到二极管d6的阴极；d5的阴极连接到电容co1的一端，d6的阳极连接到电容co2的一端，co1的另一端和co2的另一端连接到开关管s6的漏极，s6的漏极连接到第一副边绕组的非同名端，s6的源极连接到开关管s5的源极，s5的漏极连接到d1的阳极；co1的两端用于连接第一负载，co2的两端用于连接第二负载。

上述四个技术方案中，实现第一输入源vin1和第二输入源vin2给原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电的原边电路，可以是：第一输入源vin1的正极连接到电感l1的一端和电感l2的一端，l1的另一端连接到开关管s1的源极、开关管s2的漏极和原边绕组的同名端，l2的另一端连接到开关管s3的源极、开关管s4的漏极和原边绕组的非同名端；第二输入源vin2的正极连接到s1的漏极和s3的漏极；第一输入源vin1的负极和第二输入源vin2的负极均连接到s2的源极和s4的源极；第一输入源vin1还并联电容cin1，第二输入源vin1还并联电容cin2。

采用上述原边电路的基于中心抽头变压器的四端口变换器，其控制方法为：开关管s1与开关管s2互补导通；开关管s3与开关管s4互补导通；开关管s1和开关管s3导通占空比大小相等，开关管s2和开关管s4导通占空比大小相等；开关管s5和开关管s6互补导通，导通占空比为0.5；开关管s3的导通时刻滞后于开关管s1的导通时刻，滞后角度为180°；开关管s6的导通时刻滞后于开关管s1的导通时刻，滞后角度为第一负载和第二负载的输出功率由移相角调节，第一输入源vin1的输出功率由开关管s1的占空比调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明通过一个变换器能够同时实现可再生能源、储能系统和双极性输出之间的功率变换和能量管理与控制。结构简单、成本低廉、功率密度高、系统效率高。

2.能够输出对称且共地的双极性电压，应用范围广，可靠性高。

3.变换器的输入和输出端口间电压关系灵活，既可升压又可降压。

4.采用脉冲宽度调制和移相调制相结合的方法，能够同时实现可再生能源的最大功率点跟踪控制，和双极性负载的恒压控制。

附图说明

图1为第一种基于中心抽头变压器的四端口变换器原理图。

图2为第二种基于中心抽头变压器的四端口变换器原理图。

图3为第三种基于中心抽头变压器的四端口变换器原理图。

图4为第四种基于中心抽头变压器的四端口变换器原理图。

图5为另一种原边电路的基于中心抽头变压器的四端口变换器原理图。

图6为前四种基于中心抽头变压器的四端口变换器的控制电路原理图。

图7为第一种四端口变换器s1～s6的驱动信号及理论波形。

图8为第一种四端口变换器的稳态波形。

图9为第一种四端口变换器的瞬态响应波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一种基于中心抽头变压器的四端口变换器，该变换器能够同时接入第一功率源vin1、第二功率源vin2和负载，且能够输出对称且共地的双极性电压，电路器件少，功率密度高，应用范围广，功率管理和控制简单。

如图1所示，第一种基于中心抽头变压器的四端口变换器的电路原理图，包括第一功率源vin1，第二功率源vin2，正极性输出端口vo1，负极性输出端口vo2，第一输入滤波电容cin1，第二输入滤波电容cin2，第一输出滤波电容co1，第二输出滤波电容co2，第一电感l1，第二电感l2，第一开关管s1，第二开关管s2，第三开关管s3，第四开关管s4，第五开关管s5，第六开关管s6，第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3，第四二极管d4，第一负载r1，第二负载r2，隔离变压器。

第一输入源vin1正极连接第一电感l1、第二电感l2和第一电容cin1的一端，第一电感l1的另一端分别连接在第一开关管s1和第二开关管s2的串联公共端，以及变压器的原边绕组同名端；第二电感l2的另一端分别连接在第三开关管s3和第四开关管s4的串联公共端，以及变压器的原边绕组非同名端；第一输入源vin1的负极、第二输入源vin2的负极、第一电容cin1的另一端和第二电容cin2的一端并联，依次连接至第二开关管s2的源极和第四开关管s4的源极；所述第二输入源vin2的正极和第二电容cin2的另一端连接，依次连接至第一开关管s1的漏极和第三开关管s3的漏极。变压器的第一副边绕组同名端连接在第一二极管d1和第五开关管s5的串联公共端，第一副边绕组非同名端与第二副边绕组同名端串联，串联后的公共点分别连接在第一输出滤波电容co1和第二输出滤波电容co2的串联公共端，以及第一负载r1和第二负载r2的串联公共端；第二副边绕组非同名端连接在第二二极管d2和第六开关管s6的串联公共端；第一二极管d1的阴极、第二二极管d2的阴极和第三二极管d3的阳极连接，第三二极管d3的阴极依次连接至第一输出电容co1和第一负载r1的另一端；第五开关管s5的源极、第六开关管s6的源极和第四二极管d4的阴极连接，第四二极管d4的阳极依次连接至第二输出电容co2和第二负载r2的另一端。

如图2所示，第二种基于中心抽头变压器的四端口变换器的电路原理图，包括第一功率源vin1，第二功率源vin2，正极性输出端口vo1，负极性输出端口vo2，第一输入滤波电容cin1，第二输入滤波电容cin2，第一输出滤波电容co1，第二输出滤波电容co2，第一电感l1，第二电感l2，第一开关管s1，第二开关管s2，第三开关管s3，第四开关管s4，第五开关管s5，第六开关管s6，第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3，第四二极管d4，第一负载r1，第二负载r2，隔离变压器。

第一输入源vin1正极连接第一电感l1、第二电感l2和第一电容cin1的一端，第一电感l1的另一端分别连接在第一开关管s1和第二开关管s2的串联公共端，以及变压器的原边绕组同名端；第二电感l2的另一端分别连接在第三开关管s3和第四开关管s4的串联公共端，以及变压器的原边绕组非同名端；第一输入源vin1的负极、第二输入源vin2的负极、第一电容cin1的另一端和第二电容cin2的一端并联，依次连接至第二开关管s2的源极和第四开关管s4的源极；所述第二输入源vin2的正极和第二电容cin2的另一端连接，依次连接至第一开关管s1的漏极和第三开关管s3的漏极。变压器的第一副边绕组同名端连接在第一二极管d1和第二二极管d2的串联公共端，第一副边绕组非同名端与第二副边绕组同名端串联，串联后的公共点分别连接在第一输出滤波电容co1和第二输出滤波电容co2的串联公共端，以及第一负载r1和第二负载r2的串联公共端；第二副边绕组非同名端连接在第五开关管s5和第六开关管s6的串联公共端；第一二极管d1的阴极、第五开关管s5的漏极和第三二极管d3的阳极连接，第三二极管d3的阴极依次连接至第一输出电容co1和第一负载r1的另一端；第二开关管d2的阳极、第六开关管s6的源极和第四二极管d4的阴极连接，第四二极管d4的阳极依次连接至第二输出电容co2和第二负载r2的另一端。

如图3所示，第三种基于中心抽头变压器的四端口变换器的电路原理图，包括第一功率源vin1，第二功率源vin2，正极性输出端口vo1，负极性输出端口vo2，第一输入滤波电容cin1，第二输入滤波电容cin2，第一输出滤波电容co1，第二输出滤波电容co2，第一电感l1，第二电感l2，第一开关管s1，第二开关管s2，第三开关管s3，第四开关管s4，第五开关管s5，第六开关管s6，第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3，第四二极管d4，第五二极管d5，第六二极管d6，第一负载r1，第二负载r2，隔离变压器。

第一输入源vin1正极连接第一电感l1、第二电感l2和第一电容cin1的一端，第一电感l1的另一端分别连接在第一开关管s1和第二开关管s2的串联公共端，以及变压器的原边绕组同名端；第二电感l2的另一端分别连接在第三开关管s3和第四开关管s4的串联公共端，以及变压器的原边绕组非同名端；第一输入源vin1的负极、第二输入源vin2的负极、第一电容cin1的另一端和第二电容cin2的一端并联，依次连接至第二开关管s2的源极和第四开关管s4的源极；所述第二输入源vin2的正极和第二电容cin2的另一端连接，依次连接至第一开关管s1的漏极和第三开关管s3的漏极。变压器的第一副边绕组同名端连接在第一二极管d1和第二二极管d2的串联公共端，第一副边绕组非同名端与第二副边绕组同名端串联，串联后的公共点分别连接在第一输出滤波电容co1和第二输出滤波电容co2的串联公共端，以及第一个负载r1和第二个负载r2的串联公共端；第二副边绕组非同名端分别连接在第三二极管d3和第四二极管d4的串联公共端，以及第五开关管s5和第六开关管s6的串联公共端；第一二极管d1的阴极、第三二极管d3的阴极和第五二极管d5的阳极连接，第五二极管d5的阴极依次连接至第五开关管s5的漏极、第一输出电容co1和第一负载r1的另一端；第二二极管d2的阳极、第四二极管d4的阳极和第六二极管d6的阴极连接，第六二极管d6的阳极依次连接至第五开关管s6的源极、第二输出电容co2和第二负载r2的另一端。

如图4所示，第四种基于中心抽头变压器的四端口变换器的电路原理图，包括第一功率源vin1，第二功率源vin2，正极性输出端口vo1，负极性输出端口vo2，第一输入滤波电容cin1，第二输入滤波电容cin2，第一输出滤波电容co1，第二输出滤波电容co2，第一电感l1，第二电感l2，第一开关管s1，第二开关管s2，第三开关管s3，第四开关管s4，第五开关管s5，第六开关管s6，第一二极管d1，第二二极管d2，第三二极管d3，第四二极管d4，第五二极管d5，第六二极管d6，第一负载r1，第二负载r2，隔离变压器。

第一输入源vin1正极连接第一电感l1、第二电感l2和第一电容cin1的一端，第一电感l1的另一端分别连接在第一开关管s1和第二开关管s2的串联公共端，以及变压器的原边绕组同名端；第二电感l2的另一端分别连接在第三开关管s3和第四开关管s4的串联公共端，以及变压器的原边绕组非同名端；第一输入源vin1的负极、第二输入源vin2的负极、第一电容cin1的另一端和第二电容cin2的一端并联，依次连接至第二开关管s2的源极和第四开关管s4的源极；所述第二输入源vin2的正极和第二电容cin2的另一端连接，依次连接至第一开关管s1的漏极和第三开关管s3的漏极。变压器的第一副边绕组同名端连接在第一二极管d1和第二二极管d2的串联公共端，串联后的公共点连接至第五开关管s5的漏极，s5的源极连接至第六开关管s6的源极，s6的漏极分别连接在第一输出滤波电容co1和第二输出滤波电容co2的串联公共端、第一个负载r1和第二个负载r2的串联公共端、第一副边绕组非同名端和第二副边绕组同名端的串联公共端；第二副边绕组非同名端连接至第三二极管d3和第四二极管d4的串联公共端；第一二极管d1的阴极、第三二极管d3的阴极和第五二极管d5的阳极连接，第五二极管d5的阴极依次连接至第一输出电容co1和第一负载r1的另一端；第二二极管d2的阳极、第四二极管d4的阳极和第六二极管d6的阴极连接，第六二极管d6的阳极依次连接至第二输出电容co2和第二负载r2的另一端。

其中，后两种变换器较前两种变换器增加了两个二极管。具体应用时，为了保证第一电感l1，第二电感l2均工作于电感电流连续导通模式(continuousconductionmode,ccm)，所以，l1、l2均应该取较大的电感值。

上述四种变换器，采用了不同的副边电路，而原边电路相同。其实，原边电路只要能够实现第一输入源vin1和第二输入源vin2给中心抽头变压器的原边绕组供电，或者第一输入源vin1给第二输入源vin2和原边绕组供电的功能，也可以采用其它的结构，如图5所示。图中，副边电路仅以第四种变换器结构为例，也可以采用其它三种变换器的副边电路。

如图6所示，前四种基于中心抽头变压器的四端口变换器的控制电路原理图，包括：第一功率源控制器、第二功率源控制器、输出电压控制器、移相控制器、脉冲调制电路。在本例中，第一输入源为光伏阵列，第二输入源为蓄电池。第一功率源控制器实现最大功率点跟踪(maximumpowerpointtracking,mppt)控制，通过采集光伏的电压vin1和电流iin1进行mppt运算，得到控制信号ve1，实现光伏的最大功率输出；第二功率源控制器对蓄电池的电压和电流进行控制，通过采样蓄电池两端的电压vin2和充放电电流iin2，得到控制信号ve2，从而使蓄电池实现过充保护和过放保护；第一功率源控制器和第二功率源控制器的输出取最小值，连接脉冲调制电路，生成开关管s1～s4的导通信号。输出电压控制器通过采样两路输出电压vo1和vo2，然后计算vox＝0.5*vo1-0.5*vo2，并将vox与参考电压vo_ref进行比较，输出为移相角；通过移相控制器调节载波的移相角，再经过脉冲调制电路生成占空比为0.5的开关管s5和s6的导通信号。其中，移相角可以控制输出电压的大小，实现升降压功能。

基于中心抽头变压器的四端口变换器在半个开关周期内共有七种工作状态，在另外半个开关周期内的工作状态与前半个开关周期对称。

如图7所示，以第一种基于中心抽头变压器的四端口变换器为例，采用控制电路之后，产生的开关驱动信号和理论波形，其中il1和il2为第一电感的电流和第二电感的电流；vab为变压器原边同名端到非同名端的电压,vcd为变压器第一副边同名端到第二副边非同名端的电压；ip为流入变压器原边同名端的电流。第一开关管s1与第二开关管s2互补导通；第三开关管s3与第四开关管s4互补导通；第一开关管s1和第三开关管s3导通占空比大小相等，第二开关管s2和第四开关管s4导通占空比大小相等；第五开关管s5和第六开关管s6互补导通，导通占空比固定为0.5。第三开关管s3的导通时刻滞后于第一开关管s1的导通时刻，滞后角度为180°；第六开关管s6的导通时刻滞后于第一开关管s1的导通时刻，滞后角度为双极性输出端口功率由移相角调节，输入源vin1的功率由第一开关管s1的占空比调节。

工作模态1[t0～t1]：s1、s3和s5导通，s2、s4和s6关断；电感l1的电流il1和电感l2的电流il2线性减小，变压器原边绕组电流ip线性增加；第一副边绕组同名端通过s5和d4向负极性端口供电；第二副边绕组非同名端通过d2和d3向正极性端口供电。

工作模态2[t1～t2]：s1和s3导通，s2、s4、s5和s6关断；电感l1的电流il1和电感l2的电流il2线性减小，变压器原边绕组电流ip线性增加；第二副边绕组非同名端通过d2和d3向正极性端口供电。

工作模态3[t2～t3]：s1和s3导通，s2、s4、s5和s6关断；电感l1的电流il1和电感l2的电流il2线性减小，变压器原边绕组电流ip不变，励磁电感通过s1和s3续流；没有能量从变压器的原边传递到变压器的副边。

工作模态4[t3～t4]：s1导通，s2、s3、s4、s5和s6关断；电感l1的电流il1线性减小，电感l2的电流il2线性减小至最小值，变压器原边绕组电流ip不变，励磁电感通过s1和s3的反并联二极管续流；没有能量从变压器的原边传递到变压器的副边。

工作模态5[t4～t5]：s1、s4和s5导通，s2、s3和s6关断；电感l1的电流il1线性减小，电感l2的电流il2线性增加，变压器原边绕组电流ip线性增加至最大值。

工作模态6[t5～t6]：s1、s4和s6导通，s2、s3和s5关断；电感l1的电流il1线性减小，电感l2的电流il2线性增加至最大值，变压器原边绕组电流ip线性减小；第一副边绕组同名端通过d1和d3向正极性端口供电，第二副边绕组非同名端通过s6和d4向负极性端口供电。

工作模态7[t6～t7]：s1和s6导通，s2、s3、s4和s5关断；电感l1的电流il1和电感l2的电流il2线性减小，变压器原边绕组电流ip线性减小；第一副边绕组同名端通过d1和d3向正极性端口供电，第二副边绕组非同名端通过s6和d4向负极性端口供电。

用psim仿真软件对第一种四端口变换器进行时域仿真分析，其中第一输入源vin1采用光伏电池模型，光伏电池的最大功率点电压为40v，最大功率点电流为5a，其它系统参数设置为：cin1＝cin2＝100μf，co1＝co2＝470μf，l1＝l2＝100μh，储能单元电压vin2＝60v，正极性输出端口电压为vo1＝60v，负极性输出端口电压为vo2＝-60v，开关频率为fs＝100khz，仿真结果如图7和图8。

图8是第一种基于中心抽头变压器的四端口变换器的稳态波形，从图中可以看出，仿真结果与理论分析一致。

图9是第一种基于中心抽头变压器的四端口变换器负载跳变的瞬态响应波形，此时光伏的输出最大功率为200w，光伏组件通过mppt始终以最大功率输出。初始时刻，负载消耗功率为100w，储能单元消耗的功率为100w；在0.1s时负载功率由100w增大为300w，储能单元提供的功率为100w；在0.15s时负载功率由300w减小至100w，系统运行情况与初始状态一致。从图中可以看出，当负载发生变化时，正极性输出端电压和负极性输出端电压均保持恒定。

根据上述理论分析及仿真能够看出，本发明所提出的基于中心抽头变压器的四端口变换器具有结构简单、成本低廉、功率密度高、系统效率高的优势，能够输出对称且共地的双极性电压，应用范围广，可靠性高，且开关器件少，能够实现集中式控制；并且变换器可以根据输入功率和输出功率自动切换单输入三输出模式和双输入双输出模式，功率控制简单。因此，本发明所提出的变换器相比于现有技术具有明显的优势。