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方案

本发明专利技术提出了一种适用于分布式光伏发电系统的高增益DC

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术涉及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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为了满足上述需求，本专利技术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。
[0004]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。
[0005]U
L1
＝U
L2
＝U
in
(2
‑
1)
[0006]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U
o
之间的关系可以表示为：
[0019]u
Lin
＝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]U
in
+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]U
L1
＝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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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+
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王昭鸿，杨卓，胡毕华，吴明海，唐兆宏，
申请(专利权)人：湘潭大学，
类型：发明
国别省市：