陳劍飛 侯世英 孫 韜 畢曉輝

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400044)

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基于開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的雙輸入升壓變換器

陳劍飛 侯世英 孫 韜 畢曉輝

(輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)) 重慶 400044)

在新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，現(xiàn)有的多輸入直流變換器不能很好地滿(mǎn)足其對(duì)供電方式、高增益、小紋波、低器件應(yīng)力及高效率等工作性能的要求?；诖?，給出了基于開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的兩種新型雙輸入升壓變換器拓?fù)?，即并?lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器，對(duì)其工作原理及工作性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了這兩種電路拓?fù)涞恼_性與可行性。

開(kāi)關(guān)電容 雙輸入 升壓 并聯(lián)型 串聯(lián)型

0 引言

在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中，每種新能源的接入均需要對(duì)應(yīng)一個(gè)DC-DC變換器，將各能源變換成直流電壓輸出，并聯(lián)在公共的直流母線上。這種連接方式會(huì)造成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜及電路元器件多的問(wèn)題。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)以及降低系統(tǒng)成本，采用一個(gè)多輸入直流變換器(Multi-input Converter，MIC)代替多個(gè)單輸入直流變換器，成為當(dāng)前新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。MIC允許多種能源輸入，輸入源的性質(zhì)、幅值和特性可以相同，也可以差別很大，多個(gè)輸入源可分時(shí)或同時(shí)向負(fù)載供電(即分時(shí)供電或同時(shí)供電)，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)先利用，從而達(dá)到提高系統(tǒng)集成度和靈活性的目的[1-3]。另外，由于太陽(yáng)能、燃料電池等新能源的輸出電壓較低，為了實(shí)現(xiàn)380 V或760 V的直流母線電壓輸出，必須使得MIC兼具較大的升壓能力。

文獻(xiàn)[4-8]在6種基本的PWM變換器基礎(chǔ)上，通過(guò)添加電壓緩沖單元或電流緩沖單元構(gòu)成相應(yīng)的MIC，該方法易于理解，為構(gòu)建MIC提供了系統(tǒng)性的理論指導(dǎo)。文獻(xiàn)[9，10]針對(duì)傳統(tǒng)的Buck和Boost變換器，提出了雙輸入Buck變換器和雙輸入Boost變換器，既能實(shí)現(xiàn)多個(gè)輸入源分時(shí)供電，又能實(shí)現(xiàn)同時(shí)供電，但雙輸入Buck變換器的控制電路復(fù)雜且不具有升壓能力，而雙輸入Boost變換器由于其升壓能力有限而不能發(fā)揮更好的升壓功能。文獻(xiàn)[11-14]提出多輸入全橋變換器，既能實(shí)現(xiàn)大功率輸出，還能實(shí)現(xiàn)輸入源與負(fù)載之間的電氣隔離，但開(kāi)關(guān)器件太多，開(kāi)關(guān)損耗大，效率低，雖然采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)減小了一部分損耗，但由此導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難。文獻(xiàn)[15-17]通過(guò)輸出并聯(lián)或拓?fù)浣M合的方式實(shí)現(xiàn)多路新能源輸入，但開(kāi)關(guān)管電壓應(yīng)力較大，控制電路復(fù)雜。

綜上所述，采用MIC代替多個(gè)單輸入直流變換器，可簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)集成度。無(wú)論是對(duì)非隔離型MIC還是隔離型MIC的研究，可歸納其發(fā)展歷程如圖1所示：①?gòu)脑缙诘妮敵鰡卧⒙?lián)型MIC發(fā)展到輸出單元串聯(lián)型MIC，旨在提高M(jìn)IC的升壓能力；②采用一個(gè)串并聯(lián)輸出單元代替多個(gè)串聯(lián)輸出單元的MIC，旨在簡(jiǎn)化輸出端電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本；③將輸入單元和輸出單元合二為一，構(gòu)成輸入、輸出單元公共串并聯(lián)的MIC，可極大提高系統(tǒng)集成度，勢(shì)必成為MIC未來(lái)的發(fā)展方向。

圖1 MIC發(fā)展歷程Fig.1 Development history of MIC

針對(duì)新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)MIC的供電方式、升壓能力、控制復(fù)雜度及器件應(yīng)力等技術(shù)參數(shù)的要求，本文提出了兩種輸入輸出單元公共串并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組，并基于此給出了并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器。

1 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組

圖2給出了兩種開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組：并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組和串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組。電容C1、C2、C3、C4的電壓大小分別為UC1、UC2、UC3、UC4。

圖2 開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組Fig.2 Switched-capacitor network group

在圖2a中，由于該網(wǎng)絡(luò)組通過(guò)電容與電容之間的并聯(lián)充放電實(shí)現(xiàn)電容電壓的自動(dòng)均衡，所以稱(chēng)之為“并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組”。與文獻(xiàn)[18]中的開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)相比，并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的輸入輸出端共地，有利于減小EMI。C1、C2、C3、C4的規(guī)格參數(shù)相同，S1、S2的規(guī)格參數(shù)相同，VD1、VD2、VD3、VD4的規(guī)格參數(shù)也相同。另外，通過(guò)部分電容電壓的串聯(lián)累加升壓可實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓。

在圖2b中，串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組由兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)連接而成。兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中，所有的電容電壓串聯(lián)累加升壓實(shí)現(xiàn)較大的輸出電壓，能實(shí)現(xiàn)每個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的電容電壓自動(dòng)均衡，但不能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)之間的電容電壓自動(dòng)均衡。因此，C1、C2的規(guī)格參數(shù)相同，即C1=C2；C3、C4的規(guī)格參數(shù)相同，即C3=C4；VD1、VD2的規(guī)格參數(shù)相同，VD3、VD4的規(guī)格參數(shù)相同。

2 雙輸入升壓變換器

2.1 并聯(lián)型雙輸入升壓變換器

采用如圖2a所示的并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組，可構(gòu)建一種新型多輸入升壓變換器[18]，但由于輸出濾波電感的存在，限制了升壓能力的進(jìn)一步提高，且在一定程度上增大了電路體積。本文在并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了如圖3所示的并聯(lián)型雙輸入升壓變換器，其中，輸入源2與該變換器的輸出端共地。該變換器適用于分時(shí)供電模式，分為輸入源1獨(dú)立工作和輸入源2獨(dú)立工作兩種情況，對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的工作原理分析。

圖3 并聯(lián)型雙輸入升壓變換器Fig.3 The parallel-form double-input step-up converter

2.1.1 輸入源1獨(dú)立工作

當(dāng)輸入源1獨(dú)立工作時(shí)，并聯(lián)型雙輸入升壓變換器的等效電路如圖4所示。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，VD1、VD2、VD4截止，VD3導(dǎo)通，等效電路如圖4a所示。在此期間，C1與C2并聯(lián)，C3與C4并聯(lián)，Co向負(fù)載R提供能量，得到如下關(guān)系

uL1=Uin1

(1)

UC1=UC2

(2)

UC3=UC4

(3)

圖4 等效電路Fig.4 Equivalent circuits

當(dāng)S1、S2截止時(shí)，VD1、VD2、VD4導(dǎo)通，VD3截止，等效電路如圖4b所示。在此期間，C2與C3并聯(lián)，且C1、C2、C3、C4串并聯(lián)向負(fù)載R提供能量。因而，得到如下關(guān)系

uL1=Uin1-U1

(4)

UC2=UC3

(5)

Uo=UC1+UC3+UC4

(6)

由式(1)～式(6)可得電容電壓及輸出電壓大小為

(7)

(8)

2.1.2 輸入源2獨(dú)立工作

依據(jù)并聯(lián)型雙輸入升壓變換器的對(duì)稱(chēng)性，可得到當(dāng)輸入源2獨(dú)立工作時(shí)，電容電壓及輸出電壓大小分別為

(9)

(10)

2.2 串聯(lián)型雙輸入升壓變換器

圖5給出了基于串聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的雙輸入升壓變換器，簡(jiǎn)稱(chēng)為串聯(lián)型雙輸入升壓變換器。根據(jù)輸入源的接入與否，可分為同時(shí)供電模式和分時(shí)供電模式。

圖5 串聯(lián)型雙輸入升壓變換器Fig.5 The serial-form double-input step-up converter

2.2.1 同時(shí)供電模式

當(dāng)輸入源1、2同時(shí)工作時(shí)，串聯(lián)型雙輸入升壓變換器進(jìn)入同時(shí)供電工作模式，等效電路如圖6所示。當(dāng)S1、S2同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，VD1、VD2、VD3、VD4截止，VD5導(dǎo)通，等效電路如圖6a所示。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)1中的電容C1和C2及網(wǎng)絡(luò)2中的電容C3和C4分別交叉串聯(lián)，向負(fù)載R提供能量。當(dāng)S1、S2同時(shí)截止時(shí)，VD1、VD2、VD3、VD4導(dǎo)通，VD5截止，等效電路如圖6b所示。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)1中的電容C1和C2及網(wǎng)絡(luò)2中的電容C3和C4分別并聯(lián)，因而每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的電容電壓相同。采用并聯(lián)型雙輸入升壓變換器的工作原理分析方法，可得到電容電壓及輸出電壓大小分別為

(11)

(12)

(13)

圖6 兩個(gè)輸入源同時(shí)工作時(shí)的等效電路Fig.6 Equivalent circuits when two input sources work simultaneously

2.2.2 分時(shí)供電模式

當(dāng)輸入源1和輸入源2分別獨(dú)立工作時(shí)，串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的輸出電壓大小為

(14)

3 性能分析

3.1 電壓增益與電壓應(yīng)力

表1給出了兩種雙輸入升壓變換器和傳統(tǒng)Boost變換器的電壓增益及電壓應(yīng)力對(duì)比情況。需要說(shuō)明的是，在表1中，網(wǎng)絡(luò)1及網(wǎng)絡(luò)2是指這兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)中的開(kāi)關(guān)管、電容和二極管的電壓應(yīng)力。由表1可知，并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的電壓增益分別是傳統(tǒng)Boost變換器的3倍和2倍。在相同的輸出電壓情況下，并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的器件電壓應(yīng)力分別是傳統(tǒng)Boost變換器器件電壓應(yīng)力的1/3、1/2。 因此，可選用電壓應(yīng)力更小的功率器件，減小電路體積和成本。

表1 電壓增益及電壓應(yīng)力對(duì)比分析Tab.1 Comparation of voltage gains and voltage stresses

3.2 紋波大小

在并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器中，電感L1、L2的電流紋波大小分別為

(15)

(16)

對(duì)于并聯(lián)型雙輸入升壓變換器，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，儲(chǔ)能元件C1、C2、C3、C4向負(fù)載R提供能量，依據(jù)能量守恒原理可得

(17)

式中UCmax、UCmin代表電容電壓UC的最大值和最小值，且二者存在如下關(guān)系

UCmax+UCmin=2UC

(18)

由式(8)、式(17)和式(18)可得并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容組的電容電壓紋波大小為

(19)

由于輸出電壓為電容電壓的3倍，因此可近似認(rèn)為輸出電壓紋波大小為

(20)

而在串聯(lián)型雙輸入升壓變換器中，由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)之間互相串聯(lián)，因此兩個(gè)供電單元的輸出電流相同，即電感L1、L2的平均電流大小相等

IL1=IL2

(21)

又因

(22)

結(jié)合式(13)、式(21)和式(22)可得

(23)

由式(11)和式(12)可知，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的電容電壓相等。為了便于分析，記U1min、U1max分別為網(wǎng)絡(luò)1電容電壓U1的最小值和最大值，U2min、U2max分別表示網(wǎng)絡(luò)2電容電壓U2的最小值和最大值，Δu1、Δu2分別為網(wǎng)絡(luò)1、網(wǎng)絡(luò)2的電容電壓紋波大小。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)1，根據(jù)能量守恒原理可得

(24)

又因

U1max+U1min=2U1

(25)

由式(23)～式(25)可得網(wǎng)絡(luò)1的電容電壓紋波大小為

(26)

同理，可得網(wǎng)絡(luò)2的電容電壓紋波大小為

(27)

在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)的所有電容交叉串聯(lián)，向負(fù)載提供能量，輸出電壓為所有電容電壓之和。因此，由式(26)、式(27)可得串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的輸出電壓紋波大小為

(28)

3.3 電流應(yīng)力

在并聯(lián)型雙輸入升壓變換器中，由于并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的對(duì)稱(chēng)性，輸入源1獨(dú)立工作與輸入源2獨(dú)立工作時(shí)該變換器的輸出效果相同。因此，本文以輸入源1獨(dú)立工作為例闡述該雙輸入升壓變換器器件的電流應(yīng)力。由圖4可知，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感L1的電流大小為

(29)

由式(29)可得開(kāi)關(guān)管S1的電流應(yīng)力大小為

(30)

由基爾霍夫電流定律可得流過(guò)所有二極管及開(kāi)關(guān)管S2的平均電流大小為

(31)

而在串聯(lián)型雙輸入升壓變換器中，S1、S2的電流應(yīng)力和所有二極管的平均電流大小分別為

(32)

(33)

(34)

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證兩種新型雙輸入升壓變換器電路拓?fù)涞恼_性與可行性，采用傳統(tǒng)的單電壓閉環(huán)控制方式，搭建了輸出功率均為160 W、開(kāi)關(guān)頻率為30 kHz的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

4.1 并聯(lián)型雙輸入升壓變換器

圖7、圖8分別給出了輸入源1獨(dú)立工作和輸入源2獨(dú)立工作時(shí)并聯(lián)型雙輸入升壓變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從圖7a～圖7c可知，當(dāng)輸入源1電壓分別為33 V、40 V、50 V時(shí)，電感L1的平均電流分別為5.16 A、4.23 A、3.39 A，而輸出電壓恒定在400 V，可得到該變換器的工作效率為94.1%。從圖7d～圖7f可知，在并聯(lián)型開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組中，S1、S2、VD1、VD2、VD3的峰值電壓與C1、C2、C3、C4的平均電容電壓相等，為133 V，且約為輸出電壓400 V的1/3。

圖7 輸入源1獨(dú)立工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental results when the input source 1 works independently

圖8 輸入源2獨(dú)立工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental results when the input source 2 works independently

從圖7g和圖7h可知，在輸入源電壓發(fā)生跳變的情況下，該變換器的輸出電壓及流過(guò)電感L1電流的調(diào)節(jié)時(shí)間短，且輸出電壓的電壓過(guò)沖較小，閉環(huán)控制效果良好。另外，從圖8可知，當(dāng)輸入源2獨(dú)立工作時(shí)，可得到相同的輸出效果。

4.2 串聯(lián)型雙輸入升壓變換器

圖9給出了輸入源1、2同時(shí)工作時(shí)串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖10、圖11分別給出了輸入源1、2獨(dú)立工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖9a中，在兩個(gè)輸入源同時(shí)工作的情況下，輸出電壓恒定在402 V，與理想設(shè)定的電壓值400 V相近。電感L1、L2的電流大小均為3.55 A，驗(yàn)證了式(23)，且可得到同時(shí)供電情況下該變換器的工作效率為91.0%。圖9b中，電容C1與C2的電壓大小相等，為112 V，電容C3與C4的電壓大小也相等，為74 V。這兩個(gè)開(kāi)關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)電壓的不同，是因?yàn)閮蓚€(gè)不同電壓的輸入源工作在同一控制信號(hào)下，與理論分析一致。

圖9 當(dāng)Uin1=30 V，Uin2=20 V時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Experimental results when Uin1=30 V，Uin2=20 V

圖10中，當(dāng)輸入源1的電壓在50 V和66 V之間變化時(shí)，該變換器的輸出電壓穩(wěn)定在400V，且當(dāng)輸入電壓為50 V時(shí)，電感L1的平均電流為3.40 A，當(dāng)輸入電壓增加到66 V時(shí)，電感L1的平均電流減小為2.58 A。此時(shí)，該變換器的工作效率為94.1%。同樣地，從圖11可知，當(dāng)輸入源2獨(dú)立工作時(shí)，該變換器的輸出電壓穩(wěn)定在400 V，且當(dāng)輸入電壓分別為50 V及66 V時(shí)，電感L2的平均電流分別為3.38 A及2.54 A。此時(shí)，該變換器的工作效率為94.7%。

圖10 輸入源1獨(dú)立工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Experimental results when the input source 1 works independently

圖11 輸入源2獨(dú)立工作時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.11 Experimental results when the input source 2 works independently

綜上所述，兩種雙輸入升壓變換器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析的結(jié)果相吻合，且單電壓閉環(huán)控制效果良好。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器的正確性與可行性。

5 結(jié)論

本文提出并聯(lián)型雙輸入升壓變換器和串聯(lián)型雙輸入升壓變換器，給出了詳細(xì)的理論分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究驗(yàn)證了理論分析的可靠性。兩種變換器均具有較大的升壓能力，器件應(yīng)力較小，工作效率高，且并聯(lián)型雙輸入升壓變換器具有電壓均衡功能。

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Double Input Step-up Converters Based on Switched-Capacitor Network Group

ChenJianfeiHouShiyingSunTaoBiXiaohui

(State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology(Chongqing University) Chongqing 400044 China)

In renewable hybrid power generation system, the existing multi-input DC-DC converters (MIC) cannot meet working performances requirements well, such as power supply modes, high voltage-gain, small ripples, low component voltage stresses, high efficiency and so on. Therefore, based on switched-capacitor network group, two novel double-input step-up converter topologies including the parallel-form and the serial-form are given. Operation principles and working performances of the two converters are analyzed in detail. In addition, experimental researches have been implemented to verify the correctness and the feasibility of the two circuit topologies.

Switched-capacitor, double-input, step-up, parallel-form, serial-form

重慶市研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CYB14015)和中央高校研究生科技創(chuàng)新基金(CDJXS12151107)項(xiàng)目資助。

2014-12-15 改稿日期2015-05-28

TM464

陳劍飛 男，1987年生，博士研究生，研究方向?yàn)镈C-DC變換器、多電平變換器和可再生能源發(fā)電技術(shù)等。(通信作者)

侯世英 女，1962年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榭刂评碚?、電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用和功率變換器技術(shù)等。