光伏发电用直流三电平Buck-Boost变换器

光伏发电用直流三电平buck-boost变换器
技术领域
1.本发明涉及光伏技术领域，尤其是一种光伏发电用直流三电平buck-boost变换器。


背景技术：

2.近年来，化石燃料造成的环境污染愈加严重，专家学者开始对太阳能、风能等清洁能源进行应用，其中太阳能已经得到广泛应用。但光伏发电输出级电压低，需要进行dc-dc升压过程才能并网。因此，高增益dc-dc升压变换器在新能源发电中发挥着不可或缺的作用。传统的boost变换器理论上可以通过提高占空比来提高电压增益。但是实际应用中，由于寄生参数的限制，无法实现极限占空比。若采用级联型boost变换器等，虽然提高了电压增益，但使用器件数量多，电路复杂，效率低。


技术实现要素：

3.本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种光伏发电用直流三电平buck-boost变换器，本发明的技术方案如下：
4.一种光伏发电用直流三电平buck-boost变换器，该光伏发电用直流三电平buck-boost变换器包括buck-boost变换器以及耦合电感三电平升压单元；在耦合电感三电平升压单元中，耦合电感原边绕组l1的第一端连接耦合电感副边绕组l2的第一端以及耦合电感三电平升压单元的正输入端，耦合电感原边绕组l1的第二端连接输出电容c
o2
的第一端、续流二极管d2的阳极、续流二极管d3的阴极、输出电容c
o1
的第一端、耦合电感三电平升压单元的负输入端以及耦合电感三电平升压单元的输出电压参考点；续流二极管d2的阴极连接续流二极管d1的阳极以及电容c2的第一端，续流二极管d1的阴极连接输出电容c
o2
的第二端并作为耦合电感三电平升压单元的第一负载端；耦合电感副边绕组l2的第二端连接电容c2的第二端以及电容c3的第一端，电容c3的第二端连接续流二极管d3的阳极以及输出二极管do的阴极，输出二极管do的阳极连接输出电容c
o1
的第二端以及耦合电感三电平升压单元的第二负载端；
5.耦合电感三电平升压单元通过正输入端和负输入端连接至buck-boost变换器的输入电源v
in
和导通开关管s，导通开关管s两端连接反并联二极管，耦合电感三电平升压单元通过两个负载端连接buck-boost变换器的负载r。
6.本发明的有益技术效果是：
7.本技术公开了一种光伏发电用直流三电平buck-boost变换器，该buck-boost变换器相比于常规的buck-boost变换器采用了全新设计的耦合电感三电平升压单元，利用三电平变换器结构，输出电压纹波小，输入电源和中性点共地结构，减小了光伏板寄生电容引起的漏电流，具有安全性高、emi小的特点，该变换器具有高电压增益、器件应力低、输入电流连续、电流纹波低、开关管数量少等特点，可以很好地满足光伏发电的使用需求。
8.该直流三电平buck-boost变换器避开有源钳位开关管的寄生参数，使两个输出电
容的电压差不受任何器件寄生参数影响，具有绝对的自我平衡能力。且设计磁芯磁通密度工作在一三象限，磁芯利用率高，减小了耦合电感的磁芯体积。
附图说明
9.图1是一个实施例中的耦合电感三电平升压单元的电路图。
10.图2是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的电路图。
11.图3是另一个实施例中包含有源钳位电路的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的电路图。
12.图4是图3所示的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的等效电路图。
13.图5是对图4简化后的等效电路图。
14.图6是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第一模态时基于图5的电流流通示意图。
15.图7是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第二模态时基于图5的电流流通示意图。
16.图8是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第三模态时基于图5的电流流通示意图。
17.图9是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第四模态时基于图5的电流流通示意图。
18.图10是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第五模态时基于图5的电流流通示意图。
19.图11是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第六模态时基于图5的电流流通示意图。
20.图12是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第七模态时基于图5的电流流通示意图。
21.图13是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在第八模态时基于图5的电流流通示意图。
22.图14是一个实施例的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在一个开关周期的工作波形图。
23.图15是一个实施例中的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的电压增益与工作周期的占空比之间的关系图。
24.图16是一个实施例中的两个输出电容两端的电压的电压差与工作周期的占空比之间的关系图。
25.图17是一个实施例中取工作周期的占空比为0.5时两个输出电容两端的电压。
26.图18是一个实施例中取工作周期的占空比为0.5时输出电压的波形图。
27.图19-22是一个实例中的高增益sepic直流变换器的工作波形实测图。
具体实施方式
28.下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
29.本技术公开了一种光伏发电用直流三电平buck-boost变换器，该光伏发电用直流
三电平buck-boost变换器包括buck-boost变换器以及耦合电感三电平升压单元。请参考图1，在耦合电感三电平升压单元中，耦合电感原边绕组l1的第一端连接耦合电感副边绕组l2的第一端以及耦合电感三电平升压单元的正输入端(如图1中+端)。耦合电感原边绕组l1的第二端连接输出电容c
o2
的第一端、续流二极管d2的阳极、续流二极管d3的阴极、输出电容c
o1
的第一端、耦合电感三电平升压单元的负输入端(如图1中-端)以及耦合电感三电平升压单元的输出电压参考点o。续流二极管d2的阴极连接续流二极管d1的阳极以及电容c2的第一端，续流二极管d1的阴极连接输出电容c
o2
的第二端并作为耦合电感三电平升压单元的第一负载端p。耦合电感副边绕组l2的第二端连接电容c2的第二端以及电容c3的第一端，电容c3的第二端连接续流二极管d3的阳极以及输出二极管do的阴极。输出二极管do的阳极连接输出电容c
o1
的第二端以及耦合电感三电平升压单元的第二负载端n。
30.耦合电感三电平升压单元通过正输入端和负输入端连接至buck-boost变换器的输入电源v
in
和导通开关管s，耦合电感三电平升压单元通过两个负载端连接buck-boost变换器的负载r。具体的，请参考图2，耦合电感三电平升压单元的正输入端通过导通开关管s连接输入电源v
in
的正极、负输入端连接输入电源v
in
的负极、两个负载端分别连接在负载r的两端。导通开关管s为mosfet或者igbt。导通开关管s两端连接反并联二极管。
31.在另一个实施例中，该光伏发电用直流三电平buck-boost变换器还包括有源钳位电路，请参考图3，有源钳位电路包括辅助开关管sb和电容c1，辅助开关管sb和电容c1并联形成的并联电路跨接在导通开关管s的两端。辅助开关管sb为mosfet或者igbt。辅助开关管sb两端连接反并联二极管。
32.考虑电路中的器件的寄生参数的影响，图3所示的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的电路结构的等效电路图如图4所示。输入电源v
in
实际等效为输入电源v
in
与等效内阻r
in
的串联结构。导通开关管s等效为开关管s及其导通电阻r
ds
的串联结构。辅助开关管sb等效为辅助开关管sb及其导通电阻r
dsb
的串联结构。耦合电感原边绕组l1等效为理想变压器的耦合电感原边绕组l1及其等效电阻r
l1
和漏感l
k1
的串联结构。耦合电感副边绕组l2等效为理想变压器的耦合电感副边绕组l2及其等效电阻r
l2
＝nr
l1
和漏感l
k2
的串联结构，n是耦合电感原边绕组l1与耦合电感副边绕组l2的匝数比。每个续流二极管等效为该续流二极管及其电压降vd和导通内阻rd的串联结构，且各个续流二极管的电压降vd以及导通内阻rd均相等。
33.为了简化模态分析，首先对图4所示的等效电路图进行简化，得到简化后的等效电路图如图5所示，耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2可以等效为：耦合线圈漏感lk连接在耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2之间，磁化电感lm并联在耦合电感原边绕组l1两端。图5中的耦合线圈漏感lk包括图4中的耦合电感原边绕组l1的漏感l
k1
和耦合电感副边绕组l2的漏感l
k2
，其他器件的寄生参数暂时忽略不做考虑。图5还示出了电路中各个器件的正负端以及流过的电流方向和两端的电压。
34.在本技术光伏发电用直流三电平buck-boost变换器的一个工作周期内，从t0时刻开始辅助开关管sb保持关断、导通开关管s保持导通直至t3时刻，辅助开关管sb和导通开关管s均关断，t4时刻开始辅助开关管sb导通、导通开关管s关断，直至t7时刻开始辅助开关管sb和导通开关管s均关断，直至当前工作周期结束。具体的，光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在一个工作周期内的工作过程依次包括八个模态：
35.(1)第一模态：t0时刻开始，导通开关管s零电流导通，耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2的电流续流，电容c3与耦合电感副边绕组l2、输出电容c
o2
串联给负载r供电；电容c3、耦合电感副边绕组l2、输入电源v
in
串联给输出电容c
o1
供电，当耦合电感原边绕组l1的电流在t1时刻变为零时，第一模态结束。基于图5，第一模态的等效电路图如图6所示，虚线箭头表示电流走向。
36.(2)第二模态：导通开关管s导通，耦合电感原边绕组l1的电流增大，耦合电感副边绕组l2的电压被输出电压vo、电容c3的电压和输入电源v
in
钳位，当耦合电感副边绕组l2的电流在t2时刻变为零时，第二模态结束。基于图5，第二模态的等效电路图如图7所示。
37.(3)第三模态：导通开关管s导通，输出二极管do和续流二极管d2零电流关断，续流二极管d1和续流二极管d3零电流导通，输入电源v
in
给耦合线圈漏感lk和磁化电感lm充电；输入电源v
in
与耦合电感副边绕组l2串联给电容c3充电，输入电源v
in
与耦合电感副边绕组l2串联给输出电容c
o2
充电；当t3时刻导通开关管s的关断信号来临时，第三模态结束。基于图5，第三模态的等效电路图如图8所示。
38.(4)第四模态：导通开关管s关断，导通开关管s的寄生电容开始充电并被电容c1钳位，辅助开关管sb的寄生电容开始放电，当辅助开关管sb两端电压减少至零，辅助开关管sb两端的反并联二极管开始导通，当t4时刻辅助开关管sb的导通信号来临时，第四模态结束。基于图5，第四模态的等效电路图如图9所示。
39.(5)第五模态：辅助开关管sb导通，耦合线圈漏感lk的能量转移到电容c1中，当耦合电感副边绕组l2的电流在t5时刻减小至零时，第五模态结束。基于图5，第五模态的等效电路图如图10所示。
40.(6)第六模态：耦合电感副边绕组l2和耦合电感原边绕组l1串联给电容c2充电，耦合电感副边绕组l2、耦合电感原边绕组l1和电容c3串联给输出电容c
o1
充电，并与输出电容c
o2
串联给负载r供电；当耦合电感原边绕组l1的电流在t6时刻减小至零时，第六模态结束。基于图5，第六模态的等效电路图如图11所示。
41.(7)第七模态：耦合电感原边绕组l1的电流反向增大，电容c1放电，耦合电感副边绕组l2与输入电源v
in
和电容c1串联给电容c2充电，耦合电感副边绕组l2与输入电源v
in
、电容c1和电容c3串联给输出电容c
o1
充电，耦合电感副边绕组l2、输入电源v
in
、电容c1、电容c3和输出电容c
o2
串联给负载r供电；当t7时刻辅助开关管sb的关断信号来临时，第七模态结束。基于图5，第七模态的等效电路图如图12所示。
42.(8)第八模态：导通开关管s的寄生电容开始放电，直至导通开关管s两端的反并联二极管导通，导通开关管s导通同时辅助开关管sb的寄生电容充电，当下一个工作周期的导通开关管s的导通信号在t8时刻来临时，第八模态结束。t8时刻即为下一个工作周期的t0时刻。基于图5，第八模态的等效电路图如图13所示。
43.该光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在一个工作周期内的工作波形如图14所示，在ts时长的工作周期内，导通开关管s导通的时长为dts、关断的时长为(1-d)ts，因此导通开关管s导通的时长在整个工作周期内所占的比例、也即工作周期的占空比为d。常规变换器的拓扑结构中，开关管s的开关控制信号的占空比d的工作范围为0.5～1，并且在占空比d略大于0.5时电压增益低。而本技术由于优化了拓扑结构，开关管s的开关控制信号的占空比d的工作范围为0～1，且在全范围内都具有高增益，相比于常规拓扑结构来说，拓
宽了占空比d的工作范围，且可以有效提高电压增益。
44.基于光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在器件的第三模态、第六模态和第七模态得到：
[0045][0046]
并得到电压应力和电压增益为：
[0047][0048]
其中，依次是磁化电感lm和耦合线圈漏感lk在第三模态时两端的电压，是磁化电感lm在第六模态和第七模态时两端的电压，是耦合线圈漏感lk在第六模态和第七模态时两端的电压；v
ds
、依次是导通开关管s、输出电容c
o2
和输出电容c
o1
两端的电压，m
ccm
是电压增益；d是工作周期的占空比、为导通开关管s导通的时长在整个工作周期的时长中所占的比例；n是耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2的匝数比，k是耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2的耦合系数；t2、t5依次是耦合电感副边绕组l2的电流反向减小为零的时刻、耦合电感副边绕组l2的电流正向减小至零的时刻。
[0049]
在忽略漏感对电压增益的影响下即耦合系数k＝1时，可以由式(2)得到电压增益与占空比的关系图如图15所示。
[0050]
在考虑器件的寄生参数的作用的情况下，确定输出电容c
o1
两端的电压和输出电容c
o2
两端的电压的表达式分别为：
[0051][0052]
由此可得输出电容c
o1
两端的电压和输出电容c
o2
两端的电压的电压差δv为0，电压差δv与占空比的关系如图16所示。
[0053]
其中，依次是耦合电感原边绕组l1、耦合电感原边绕组l1的漏感l
k1
、耦合电感副边绕组l2、耦合电感副边绕组l2的漏感l
k2
在导通开关管s保持导通时两端的电压；依次是耦合电感原边绕组l1、耦合电感原边绕组l1的漏感l
k1
、耦合电感副边绕组l2、耦合电感副边绕组l2的漏感l
k2
在导通开关管s保持断开时两端的电
压；依次是导通开关管s保持导通时流过耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2的电流，是导通开关管s保持断开时流过耦合电感原边绕组l1和耦合电感副边绕组l2的电流；rd、vd依次是耦合电感原边绕组l1的等效电阻、耦合电感副边绕组l2的等效电阻、每个续流二极管的导通内阻、每个续流二极管的电压降；是流过输出二极管do的电流，是流过续流二极管d1的电流，是流过续流二极管d2的电流，是流过续流二极管d3的电流。
[0054]
根据上述各式可对变换器进行参数设计，对于本技术的光伏发电用直流三电平buck-boost变换器，在开关管s的开关控制信号的占空比d的0～1的范围内，当进一步将占空比d取0.5左右时，输出电容c
o1
与输出电容c
o2
几乎没有精差，如图17所示，且可以使得输出电压具有极低的输出电压纹波，如图18所示。因此取光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在一个工作周期内的开关控制信号的占空比d＝0.5
±
δ使得输出电压纹波在预定误差范围内，δ表示占空比误差，其中占空比为导通开关管s从t0时刻至t3时刻的导通时长占整个工作周期的时长的比例。也即通过设定占空比d在0.5左右，就能有效抑制输出电压纹波，理论上可以使得输出电压变化值为0。
[0055]
另外，由于本技术的变换器的拓扑结构的特殊性，本技术中的输出电容c
o1
和输出电容c
o2
可以像传统结构一样采用电解电容实现。或者在一个实施例中，输出电容c
o1
和输出电容c
o2
为cbb电容，也即可以使用低压小容值cbb电容代替高电压大容值的电解电容，从而可以减小输出电容的体积，也可以提高系统寿命、减小输出电压纹波。
[0056]
在一个实例中，该光伏发电用直流三电平buck-boost变换器在一个工作周期内的工作波形如图19-22所示，其中，输入电压v
in
＝30v，输出电压vo＝400v，导通开关管s两端的电压v
ds
的纵坐标为50伏/单元格(v/div)。耦合电感副边绕组l2两端的电压的纵坐标为50伏/单元格，流过耦合电感原边绕组l2的电流的纵坐标为10安/单元格(a/div)。续流二极管d2两端的电压的纵坐标为100伏/单元格。流过续流二极管d2的电流的纵坐标为10安/单元格。输出电压vo的纵坐标为100伏/单元格。输出电容c
o1
两端的电压的纵坐标为100伏/单元格，输出电容c
o2
两端的电压的纵坐标为100伏/单元格。图19-22中横轴的时间均为5微秒/单元格(μs/div)。
[0057]
以上所述的仅是本技术的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。