一种应用于分布式光伏发电系统的高增益DC-DC变换器拓扑结构

一种应用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器拓扑结构
技术领域
1.本发明涉及dc-dc变换器领域，尤其是针对需要小功率dc-dc变换器的应用场景，例如分布式光伏发电系统、燃料电池等场合。


背景技术：

2.在分布式光伏发电系统中，高增益dc-dc变换器是一种关键的电力电子设备，负责将太阳能电池阵列产生的直流电压升压至逆变器所需的直流母线电压，以便与电网或负载进行匹配。为了实现高效且稳定的光伏发电系统，需要对高增益dc-dc变换器进行精确的控制。基于这一需求，本专利提出了一种适用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器拓扑结构。


技术实现要素：

3.为了满足上述需求，本发明提出了一种适用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器。以基本拓扑为例进行具体分析，并进一步提出了级联型拓扑结构。该拓扑结构具有以下特点：高电压增益且增益范围宽、控制简单、功率元器件应力低、体积小以及零输入电流纹波等。
4.当开关管s1和s2同时导通(如图2所示)时，二极管d1、d3和d5将反向截止，而二极管d2和d4则正向导通。此时，电感l1和l2由输入源u
in
并联充电，电流i
l1
和i
l2
线性增加；电容c3由输入源u
in
和电容c2串联充电；电容c5由电容c2、c4以及电感l2串联充电；负载和电容c1则由输出电容c4和c6串联供电。
5.u
l1
＝u
l2
＝u
in
(2-1)
6.当开关管s1和s2同时关断(如图3所示)时，二极管d2和d4将反向截止，而二极管d1、d3和d5则正向导通。此时，电源u
in
与电感l1和电容c3串联，通过二极管d3为电容c4充电；同时，电源u
in
与电容c5串联，通过二极管d5为电容c6充电。电源u
in
与电容c1串联，为负载提供电力。
[0007][0008]
根据式(2-1)和(2-2)，对电感l1和l2建立伏秒平衡方程可得：
[0009][0010]
根据式(2-3)，可推导出变换器的理想增益m为：
[0011][0012]
结合式(2-4)和图(3)，可以进一步推导开关管电压应力，开关管s1受到电容c3和c4共同钳位作用，而开关管s2则电容c1～c3和c5共同钳位作用，其优点在于，无论电感l1和l2的
电感值是否相同，u
s1
和u
s2
始终保持相等，实现开关管电压的自平衡。此外，开关管具有较低的电压应力，可以采用较小导通电阻r
on
小的开关管，从而降低导通损耗并提高变换器的效率。
[0013][0014]
可推导出二极管两端电压应力，其优点在于，二极管两端的应力较低，可以换取正向压降小的二极管，以达到降低损耗的目的。
[0015][0016]
可以推导出电容两端的电压应力特性，其优点在于电容两端的电压应力较小，从而可以采用较低耐压值的电容。对于输出电容u
c4
和u
c6
，它们共同分担负载电压，有效地降低了变换器的体积。同时，u
c4
和u
c6
还充当电容钳位和零纹波结构(如式(2-8)、式(2-9)以及式(2-10)所示)中的环节，从而提高了元器件的密度。
[0017][0018]
可推导出电感电压u
lin
、电容电压u
c1
、输入电压u
in
与输出电压uo之间的关系可以表示为：
[0019]ulin
＝u
in
+u
c1-u
c6-u
c4
(2-8)
[0020]
对于式(2-8)在一个开关周期中都是恒成立的，所以，对电感电压u
lin
、电容电压u
c1
在一个开关周期中取平均值，可得出u
lin
＝0，带入式(2-8)。
[0021]uin
+u
c1-u
c6-u
c4
＝0(2-9)
[0022]
为了便于问题的分析，先忽略电容电压纹波，根据式(2-8)得，一个开关周期内电感l
in
的充电电压u
lin+
和放电电压u
lin-均为0，因此变换器输入电流纹波可以表示为：
[0023][0024]
根据式(2-10)和图(1)，可知输入电流i
in
＝i
lin
,因此输入电流纹波δi
lin
＝δi
in
，既输入电流纹波为零，这仅在于理想的情况下，而当电容电压纹波不可忽略时，在一个开关周期中依然有u
lin
≈0，根据式(2-10)可知，通过较小的l
in
可以实现约等于零的输入电流纹波，有利于分布式光伏发电系统的设备正常运行。
[0025]
根据图(2)和图(3)中电流的流向，在该变换器的基础上，进一步得出级联型变换器，其基础单元为电容c5和c6，二极管d4和d5，如图(4)所示。
[0026]
根据图(4)所示，我们可以进一步推导出级联型dc-dc变换器，如图(5)所示。当开关管s1和s2同时导通(如图6所示)时，二极管d1、d3、d5、d
2n+1
反向截止，而二极管d2、d4、d6、d
2n
正向导通(其中n≥2)。此时，电容c6将电能转移到c7，电容c8将电能转移到c9,依此类推，实现了电能自举的效果，为避免赘述，将不再分析。
[0027]ul1
＝u
l2
＝u
in
ꢀꢀ
(2-11)
[0028]
当开关s1和s2同时关断(如图7所示)时，二极管d2、d4、d6、d
2n
反向截止，而二极管d1、d3、d5、d
2n+1
正向导通(其中n≥2。此时，电容c5将电能转移给c6，电容c7将电能转移到c8。当电容c6和c8为电容c7和c9充电时，所消耗的电能得以补充。依此类推，级联型dc-dc变换器实现了高增益的输出，为避免赘述，将不再分析。
[0029][0030]
根据式(2-11)和(2-12)，对电感l1和l2建立伏秒平衡方程可得：
[0031][0032]
根据式(2-13)，可推导出级联型变换器的理想增益m为：
[0033][0034]
进一步推导开关管电压应力可知，开关管s1被电容c3和c4共同钳位，开关管s2被电容c1～c3以及c5～c
2n+3
共同钳位。其特征在于，无论电感l1和l2的电感值是否相同，u
s1
和u
s2
始终相等，依然保持开关管电压自平衡。同时，当每级联一层基础单元时，在达到相同输出电压值的情况下，开关管s1和s2两端的电压应力反而会因级联单元的层数而降低。因此，这种设计进一步降低了导通损耗，增加了变换器的效率，避免了在极端占空比下强行满足光伏发电并网需求的输出电压。这样的设计使得级联型dc-dc变换器更加适用于分布式光伏发电系统。
[0035][0036]
本技术与现有技术相比，具有以下优势：
[0037]
1、本技术为非隔离型dc-dc变换器没有隔离元件(如变压器)存在，体积小，重量轻，控制简单，便于设计和安装。
[0038]
2、本技术提出的变换器可以实现高电压增益(十倍以上)且电压增益范围宽，避免了极端占空比，拓扑延展性能好，易于集成。
[0039]
3、本技术提出的变换器输入电流纹波为零，对于分布式光伏发电系统的正常运行比较友好。
[0040]
4、本技术提出的变换器输入输出共地，降低了高频谐波噪声(emi)，对于小功率场合，性能安全稳定。
[0041]
5、本技术提出的变换器功率元器件两端的应力低，可以换取导通电阻r
on
小的开关管和正向压降小的二极管，有效降低了损耗，增加了变换器的效率。
附图说明
[0042]
图1一种应用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器拓扑结构
[0043]
图2该变换器开关管s1和s2同时导通时，电流充放电回路
[0044]
图3该变换器开关管s1和s2同时关断时，电流充放电回路
[0045]
图4级联基础单元
[0046]
图5级联型高增益dc-dc变换器拓扑结构
[0047]
图6级联型变换器开关管s1和s2同时导通时，电流充放电回路
[0048]
图7级联型变换器开关管s1和s2同时关断时，电流充放电回路
[0049]
图8分布式光伏发电并网意图
具体实施方式
[0050]
本技术提出一种应用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器拓扑，该拓扑结构的特点是具有高增益且增益范围宽、功率元器件应力低、集成度高、体积小以及控制简单等。
[0051]
在分布式光伏发电系统(如图8所示)中，为了提高整个系统的能量收集效率，每个太阳能电池板或小组的输出可以连接到一个独立的dc-dc变换器。这些变换器将各自的直流输出电压升压至所需电压，并输送至集中式逆变器。这种配置的优点是，每个太阳能电池板或小组能够实现独立的最大功率点追踪(mppt)。虽然这种方法在一定程度上增加了系统的复杂性和成本，但本技术提出的dc-dc变换器具有体积小、结构简单和控制简便的特点，从而进一步降低了系统的复杂性和成本。
[0052]
该拓扑结构由三个主要部分组成：传统的有源开关电感单元(包括电源开关s1和s2、电感l1和l2)、零输入电流纹波单元(包括电感l
in
、电容c1、c4和c6)以及可级联的电荷泵单元(由二极管d1～d5以及电容c
2～
c6组成)。
[0053]
太阳能电池板或小组连接到dc-dc变换器的直流低压侧，作为一个基本单元。多个这样的单元并联在一起，通过传感器采集太阳能电池板或小组的光照强度和温度信息，将数据反馈给控制器。若光照强度或温度较低，导致输入电压偏低，控制器会增加开关管s1和s2的占空比，提高增益倍数，将电压升至逆变器所需的直流母线电压。相反，如果光照强度或温度较高，导致输入电压偏高，控制器会降低开关管s1和s2的占空比，降低增益倍数，使电压升至逆变器所需的直流母线电压。
[0054]
需要注意的是，光照强度和温度并非与太阳能电池板或小组输出电压成正比。因此，在实际应用中，需要根据实际情况进行调整。简言之，目标是使dc-dc变换器在最大功率点工作。由于该拓扑结构只有两个开关管，且两个开关管的导通信号相同，所以实现独立的最大功率点追踪(mppt)控制策略相对容易。
[0055]
最后，将dc-dc变换器直流高压侧的电压作为逆变器的直流母线侧输入。逆变器将直流电转换为交流电，与本地电网同步，并将电能输送到电网。
[0056]
以上所述方法是本发明的较佳实施方式，但实际上，实施方式并非仅限于此。在不偏离本发明的基本概念的前提下，仍可以进行若干变更和优化。这些变形和改进均属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种适用于分布式光伏发电系统的高增益dc-dc变换器(如图1所示)，其特点在于，包括三个电感、两个开关管(以mosfet为例)、六个电容和五个二极管。在变换器工作过程中，输入端连接光伏电池板，输出端连接直流母线，两个功率开关管s1和s2会同时导通和关断。2.根据权利1所述的变换器基础拓扑，在开关管同时关断(如图3所示)的情况下，开关管s1受到电容c3和c4的共同钳位作用，而开关管s2受到电容c1～c3和c5的共同钳位作用。其特点在于，无论电感l1和l2的电感值是否相同，u
s1
和u
s2
始终保持相等，实现了开关管电压的自平衡。此外，由于开关管的低电压应力，可以选用具有较小导通电阻r
on
的开关管，从而降低导通损耗并提高变换器的效率。3.为了便于问题分析，先假设电容电压纹波可忽略。根据权利1可知，输入电流i
in
＝i
lin
，因此输入电流纹波等于电感l
in
电流纹波。在一个开关周期内取电感u
lin
的平均值，有u
lin
＝0。对电感l
in
、电容c1、c4、c6以及电源u
in
在一个开关周期内应用基尔霍夫电压(kvl)方程，可推导出u
lin+
＝u
lin-＝0。进一步分析可得变换器输入电路的纹波表达式。综上所述，在理想状态下，输入电流纹波为零。然而，在实际情况下，当电容电压纹波不能忽略时，一个开关周期内u
lin
仍然接近于0。通过选用较小的l
in
，可以实现接近于零的输入电流纹波，有利于分布式光伏发电系统设备的正常运行。4.根据权利1所述的变换器基础拓扑电流走向，其特征在于基础单元包括电容c5和c6，以及二极管d4和d5(图4)。基于此，进一步得出级联型变换器(图5)。由于屋顶式光伏发电受光照强度、温度等影响较大，输出电压较低，不能满足光伏发电并网需求。级联型变换器实现了电压的高增益(10倍以上)，避免了极端占空比。同时，当每级联一层电荷泵单元时，在达到相同输出电压值的情况下，开关管s1和s2两端的电压应力反而会因级联单元的层数而降低。因此，这种结构进一步降低了导通损耗，提高了变换器的效率。5.根据权利1和4中所述拓扑，其特点在于控制简单、稳定性高，仅需两个相同信号的开关管，体积小，电容两端的电压应力较小(详见后续说明书中的推证)，可以采用较低耐压值的电容，有效减小电容体积。较低的电容电压应力意味着更高的电容可靠性和较低的故障
率。同时，耐压电容u
c4
和u
c6
还充当电容钳位，以及零纹波结构中的环节，从而提高了元器件的密度。

技术总结
本发明提出了一种适用于分布式光伏发电系统的高增益DC-DC变换器。拓扑结构包括三个主要部分：传统的有源开关电感单元(电源开关S1和S2、电感L1和L2)、零输入电流纹波单元(L


技术研发人员：王昭鸿 杨卓 胡毕华 吴明海 唐兆宏
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2023.04.25
技术公布日：2023/8/24