一种新型三端口变换器的研究*

聂 勋，马海啸

(南京邮电大学，江苏 南京 210046)



一种新型三端口变换器的研究*

聂 勋，马海啸

(南京邮电大学，江苏 南京 210046)

在独立新能源发电系统中，采用三端口变换器具有效率高、功率密度高、可靠性高和体积成本低等优点。文中提出一种新型三端口变换器(TPC)，应用于独立可再生能源发电系统，且具有高电压增益。该三端口变换器只使用3个开关来实现功率流控制，双输入源共用一个电感，因此，可以减小体积。此外，该变换器的转化率也高于其他三端口变换器。给出了该三端口变换器的工作原理、稳态分析和控制方法。为了验证理论分析的可行性，实现了以光伏电源电压24 V、电池端口电压48 V和一个输出电压400 V为原型的仿真。验证了理论分析的正确性和可控制策略的有效性。

三端口；直直变换器；拓扑；独立新能源发电系统

0 引言

由于全球的发展和人口的增加，能源资源变得越来越重要。使用传统的能源，如化石燃料，可能会导致空气污染和全球变暖。并且由于化石燃料的数量是有限的，可再生能源系统最近已迅速发展[1-2]。光伏(PV)系统是一种很受欢迎的可再生能源发电系统。由于太阳能、风能等新能源发电系统存在电力供应不稳定、不连续和随环境变化等缺点，独立运行的新能源发电系统必须配备一定容量的储能装置以起到能量平衡和支撑作用[3]。

三端口变换器是随着新能源发电技术的发展而提出的一类新型变换器，通过一个变换器可以同时实现输入源、蓄电池和负载的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低成本、低体积等优点，因此，研究出一种在具有以上优点的前提下，有所提高的、新型的三端口变换器不仅是如今业界讨论的热点，而且对实际应用也有很大的意义[4-5]。

本文初步提出了一种新型的三端口变换器的研究，通过调整耦合电感的匝数比，在一个合理的占空比的情况下，可以同时为两个低输入电压端口提供更高的转换率。在同样的占空比下，与传统的三端口变换器相比，该变换器可以提供更高的电压增益。从而，对三端口变换器的研究有更大的意义。

1 工作原理

1.1 标准的三端口变换器的三种不同模式

(1)单输入单输出(SISO)模式：如果光伏板没有受到辐射，蓄电池单独提供能量给负载。

(2)双输入单输出(DISO)模式：光伏电源和蓄电池同时向负载提供能量。

(3)单输入双输出(SIDO)模式：光伏电源提供能量给负载，剩余储存在蓄电池中。

1.2 新型三端口变换器

该电路拓扑结构如图1所示，具有3个功率开关管、5个二极管、1个耦合电感、1个电感器和3个电容器。Vpv是主输入源，Vbt是连接到一个双向端口的次输入源。耦合电感可以等效成励磁电感Lm、漏电感Lk和理想的变压器Np/Ns。电容C1可以平衡磁性电感Lm的磁场能量。二极管D1和电容C2形成无损耗缓冲器。电容C3和耦合电感副边Ns形成一个升压电池来提供额外的电压增益。Vpv、VC2和VC3串联连接以建立一个高输出电压。

图1 新型三端口变换器主电路拓扑

为了简化电路分析，使该变换器工作在连续导通模式(CCM)，提出了以下假设：

(1)电压Vbt高于电压Vpv(一个功率为250 W的光伏板的最大功率点电压约为30 V，一组酸性蓄电池的电压通常高于48 V)。

(2)电容C1、C2、C3和Co足够大，使得可以看成恒压源。

(3)功率MOSFET和二极管是理想的，但MOSFET的漏源寄生电容要考虑。

(4)耦合电感的匝数比为Ns/Np。

(5)耦合电感的耦合系数K=Lm/(Lm+Lk)。

1.3 单输入单输出模式的工作原理

模态1[t0，t1]：S3导通，由于漏电感Lk、耦合电感的副边电流线性减小，因此，二极管D5仍然是开通的，二极管D3和D4都关断。Vbt为电感L充电，Vpv、VC2和VC3串联为输出电容Co充电并向负载R提供能量。当t=t1时，is=0，此模态结束。

模态2[t1，t2]：S3导通，D3和D5关断，D4开通。Vbt为电感L充电，当磁感应电流iLm变为零，其方向发生变化。C1通过S3为Lm和Lk充电。C1通过副边绕组Ns和D4为C3充电，VC3=nVC1。在t=t2时，S3关断，此模态结束。

模态3[t2，t3]：S3关断，电感电流iL和漏电感电流iLk同时为开关S3的寄生电容Cds3充电。C1仍然通过Ns和D4为C3充电。当t=t3时，Vds3=Vin+VL，此模态结束。

模态4[t3，t4]：S3仍然关断，D3开通为Lk续流。副边电流is仍然为C3充电。当t=t4时，is=0 ，关断D4，此模态结束。

模态5[t4，t5]：S3仍然截止，D5导通。Vbt和C1同时为L充电。耦合电感器的次级侧感电压VNs与Vpv、VC2以及VC3串联，以便提供一个高压输出。L通过D3为C2充电。当t=t5时，S3关断，此模态结束。

1.4 双输入单输出的工作原理

大部分的模态是类似于SISO的模态，主要区别是：当S3关闭时，电感L有二级放电。

模态1[t0，t1]：S3、D1和D5开通，S1、D3、D4关断。于是，Vpv向电感L充电，当t=t1时，is=0，该模态结束。

模态2[t1，t2]：S3、D1、D4开通，S1、D3和D5都关断。Vpv向电感L充电，C1通过S3向Lm和Lk充电。C1通过Ns向C3充电，并且VC3=nVC1。在t=t2时S3关断，这一模态结束。

模态3[t2，t3]：在S3断开之后，iL和iLk向Cds3充电，C1仍然通过Ns和D4向C3充电。在t=t3时Vds3=Vin+VL，这一模态结束。

模态4[t3，t4]：S3断开，D3开通从Lk向C2回收能量。二次侧电流is仍然给C3充电。在t=t4时S1开通，这个模态结束。

模态5[t4，t5]：S3和D1都断开，S1和D5开通。蓄电池端口通过L给负载释放能量，Vbt和L给C1充电，电压Vpv、VC2、VNs和VC3串联向C0充电，并且向负载提供能量。在t=t5时S1关断，这一模态结束。

模态6[t5，t6]：S1和S3都关断，D1、D3、D5开通。由于输入电压的变化，iL的负斜率再次发生变化。Vpv和L向C1充电，L通过D1和D3给C2充电。在t=t6时S3开通，这一模态结束。

1.5 单输入双输出的工作原理

模态1[t1，t2]和模态2[t1，t2]：这两种模态与双输入单输出状态下的模态1和模态2相同。

模态3[t2，t3]：S3关断，iL和iLk向Cds3充电，S2开通，但D2是断开的。C1仍通过Ns给C3充电。在t=t3时Vds3=Vbt，这一模态结束。

模态4[t3，t4]：S3是断开的，S2和D2开通。Vpv和L给蓄电池充电，耦合电感原边电压等于Vbt-Vc1，并且Vds3=Vbt。因此，二极管D3、D4和D5都是关断的。另一方面，由于没有电流流入理想变压器Np/Ns，Lm可以看成一个普通的电感，并且向电池端口释放其能量。在t=t4时S2关闭，这一模态结束。

模态5[t4，t5]：S2和S3都关断。电流iL和iLk给Cds2和Cds3充电。没有电流流入Np/Ns，二极管D4和D5都关断。在t=t5时Vds3=Vpv+Vc1，这个模态结束。

模态6[t5，t6]和模态7[t6，t7]：这两种模态与双输入单输出状态下的模态4和模态6相同。

2 新型三端口变换器的稳态分析

为了简化分析，忽略漏电感Lk，并且分析只考虑开关在开启和关闭状态。DS1、DS2和DS3分别代表开关S1、S2和S3的占空比。

2.1 单输入单输出状态

通过对电感L和励磁电感Lm应用电压平衡原理，可以得到下面的方程：

DS3Vbt+(1-DS3)(Vbt-Vds3)=0

(1)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vds3)=0

(2)

Vc1=Vbt

(3)

于是，

Vo=Vpv+Vc2+VNs+Vc3

(4)

Vo=(1+n)/(1-DS3)*Vbt

(5)

运用同样的技术，可以得到单输入双输出和双输入单输出状态下的电压增益。

2.2 双输入单输出状态

DS3Vpv+DS1(Vbt-Vc2-Vpv)(1-DS3-D1)(-Vc2)=0

(6)

DS3Vc1+(1-DS3)(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(7)

Vc1=Vpv+DS1(Vbt-Vpv)

(8)

于是，

图3 用于计算开关的占空比的算法

Vo=(1+n)/(1-DS3)×[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]

(9)

2.3 单输入双输出状态

DS3Vpv+(DS2-DS3)(Vpv-Vbt)+(1-DS2)*

(-Vc2)=0

(10)

DS3Vc1+(DS2-DS3)(Vc1-Vbt)+(1-DS2)

(Vc1-Vc2-Vpv)=0

(11)

Vc1=Vpv

(12)

于是，

Vo=(1+n)/(1-DS2)*[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]

(13)

比较传统和新型三端口变换器的转换率，可以明确得到：在相同占空比下，新型三端口变换器可以提供更高的电压增益。在开关S3的电压应力也可以轻易获得。

双输入单输出状态：

Vds3=[(1-DS1)Vpv+DS1Vbt]/(1-DS3)

(14)

单输入双输出状态：

Vds3=[Vpv-Vbt(DS2-DS3)]/(1-DS2)

(15)

3 控制电路设计

该变换器的控制图如图2所示。在此控制方法中有3个调节器：光伏输入电压调节器(IVR)，蓄电池电压调节器(BVR)，输出电压调节器(OVR)。在最大功率点，假设电池端口能够接收来自PV端口的所有电流。IVR是一种具有扰动观察技术的最大功率点跟踪算法。BVR和OVR是用于调节电池端口和输出端口的电压模式控制回路。

图3为一个用于计算开关的占空比的算法。

如果光伏电源不能提供能源，则变换器工作在单输入单输出模态。在SISO模式中，开关S3是用来调节输出电压的，因此，Vcs3=VOVR。如果PV源开始提供能量，那么开关S3用来调节输入电压Vpv以及跟踪最大功率点。所以，在 DISO 和SIDO模态下，都有Vcs3=VIVR。

图2 新型三端口变换器的控制图

因为VIVR是用来跟踪最大功率点的，所以，工作模态的确定取决于VOVR。比较VOVR和VIVR信号，如果输出电压的反馈电压低于参考值，那么VOVR≥VIVR，这意味着输出功率大于由光伏端口提供的输入功率。因此，变换器工作在DISO模态，开关S1的控制信号Vcs1=VOVR，电池端口向输出提供额外的能量。如果Po=Ppv， 那么VOVR=VIV，开关S1和S2都关断，变换器可以看成一个传统的两端口变换器。

另一方面，如果VOVR≤VIVR，这意味着输出电压太高，额外的能量为输出电容充电，变换器工作在SIDO模态。开关S2的控制信号Vcs2可由以下公式确定：Vcs2=(VIVR-VOVR)+VIVR。因此，开关S2的占空比随着输出功率的减小而增大，剩余的能量储存在蓄电池中。因此，该变换器可以有一个平滑的过渡，而不会引起输出电压过冲。

表1 该变换器的规格

4 实验结果

根据以上的理论分析，以图1所示的拓扑为电路模型，利用仿真软件验证以上的原理分析。表1为该变换器的规格，表2显示了测试的光伏板的规格。

表2 光伏板的规格

仿真结果如图4所示，给出了新型三端口变换器电路拓扑的3个开关管的驱动信号、变压器原边电压和输出电压的仿真波形图，由此可看出，仿真结果与上述理论分析相符。

图4 电路主要波形图

5 结束语

综上，该转换器具有一个可再生能源的输入端口，一个用于能量存储的双向端口和一个高电压负载的输出端口。在较少的功率开关、较低的匝数比、合理的占空比和一个简单的控制方法的情况下，该转换器可以为低输入电压端口提供更高的转换率。实验结果验证了变换器的高增益和效率高的功能。

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Research on a novel three-port converter

Nie Xun, Ma Haixiao

(Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210046, China)

In stand-alone renewable power system, using three-port converters has some advantages such as high efficiency, high power density, high reliability and low cost. In this paper, a novel three port converter (TPC) is proposed, which is applied to a stand-alone renewable power system with high voltage gain. This converter uses only three switches to realize power flow control, and two input sources share one inductor. Thus, the volume will be reduced. Besides, the conversion rate of the converter is also higher than that of the other three port converters. In this paper, the operation principle, steady state analysis and control method of the three port converter are presented. In order to verify the feasibility of the theoretical analysis, a prototype of the the converter with a low input voltage 24 V for photovoltaic source, a battery port voltage 48 V, and an output voltage 400 V is implemented.

three-port; dc-dc converter; topology; stand-alone renewable power system

国家自然科学资助基金(51107057)

TM461

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.13.012

聂勋，马海啸.一种新型三端口变换器的研究[J].微型机与应用，2017,36(13)：38-41.

2017-02-10)

聂勋(1992-)，通信作者，男，硕士研究生，主要研究方向：先进的功率变换与控制。E-mail: 1522193687@qq.com。

马海啸(1980-)，男，博士，副教授，主要研究方向：电力电子与电力传动。