專利名稱：雙向雙輸入buck直流變換器及其功率分配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙半橋開關(guān)組串聯(lián)LC濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，尤其是一種雙向雙輸入BUCK直流變換器及其功率分配方法。
背景技術(shù)：
隨著環(huán)境保護(hù)問題的日益突出，人們?cè)絹碓街匾暱稍偕茉吹拈_發(fā)利用。可再生能源具有廉價(jià)、可靠、清潔無(wú)污染、能源豐富等特點(diǎn)，因此可再生能源發(fā)電展現(xiàn)了良好的市場(chǎng)前景。目前，應(yīng)用較多的可再生能源發(fā)電形式有光伏發(fā)電，燃料電池供電、風(fēng)力發(fā)電、水利發(fā)電、地?zé)岚l(fā)電等等，但均存在電力供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù)、隨氣候條件變化等特點(diǎn)，因此需要采用多種能源聯(lián)合供電的分布式供電系統(tǒng)。在傳統(tǒng)的新能源聯(lián)合供電系統(tǒng)中，每種能源形式通常需要一個(gè)DC/DC變換 器，將各種能源變成直流輸出，并聯(lián)在公共的直流母線上，供給直流負(fù)載，但其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且成本較高。為了簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，可以用一個(gè)多輸入直流變換器(Multiple-Input Converter, MIC)代替多個(gè)單輸入直流變換器。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，多輸入源可以分別或同時(shí)向負(fù)載供電，因此提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化利用，并且降低系統(tǒng)成本。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提出一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法均較簡(jiǎn)單，且能實(shí)現(xiàn)能量的自動(dòng)分配利用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個(gè)BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，每個(gè)脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個(gè)脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個(gè)端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個(gè)脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。以光伏電池(A源)和蓄電池(B源)作為兩個(gè)輸入電壓源，根據(jù)電路中能量的傳遞，雙向雙輸入BUCK直流變換器存在五種工作模態(tài)，其一是A、B同時(shí)供電，其二是A單獨(dú)供電，其三是B單獨(dú)供電，其四是A供電，B儲(chǔ)能，C耗能，其五是A供電，B儲(chǔ)能，C反饋。為了保證雙向雙輸入BUCK直流變換器有效工作，本發(fā)明還提供了一種雙向雙輸入BUCK直流變換器功率分配方法，該方法包括對(duì)兩個(gè)輸入源提供功率和負(fù)載回饋功率的控制，電源A以最大功率輸入，電源B作為功率緩沖單元，當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A提供的功率時(shí)，電源B放電，當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源提供的功率時(shí)，電源B充電，電源A為光伏電池，通過最大功率跟蹤算法保持最大功率輸入，電源B為蓄電池，通過一個(gè)帶反向輸出的調(diào)節(jié)器(例如PI調(diào)節(jié)器)進(jìn)行能量自動(dòng)分配當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A輸入功率時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為正值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M2的占空比，控制電源B的放電功率；當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源A輸入功率時(shí)，負(fù)載電壓升高，調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M4的占空比，控制電源B的充電功率,維持負(fù)載電壓穩(wěn)定。由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明提供的雙向雙輸入BUCK直流變具有這樣的有益效果本發(fā)明具有重量輕、體積小、成本低、損耗小、電路的效率高、輸出電壓波形中的紋波小、不需要隔離變壓器等特點(diǎn)。采用兩路能量輸入，可充分利用新能源，并能雙向傳遞能量，實(shí)現(xiàn)能量?jī)?yōu)化利用。易實(shí)現(xiàn)模塊化，易擴(kuò)展應(yīng)用。本發(fā)明與雙輸入BUCK電路相比，能實(shí)現(xiàn)能量回饋。由于在原來的雙輸入基礎(chǔ)上增加了雙向的功能，當(dāng)負(fù)載需要的功率較多時(shí)，兩個(gè)輸入源同時(shí)給負(fù)載供電，與傳統(tǒng)的雙輸入BUCK電路相同，當(dāng)負(fù)載需要的功率較少時(shí)，新能源發(fā)出的電能大于負(fù)載需要的能量，通過適當(dāng)?shù)目刂?，?shí)現(xiàn)能量反向流動(dòng)，將多余的能量?jī)?chǔ)存在蓄電池中，當(dāng)新能源發(fā)出的電能不足時(shí)，蓄電池再放電，以維持輸出電壓的穩(wěn)定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的優(yōu)化分配。


圖I為本發(fā)明的雙向雙輸入BUCK直流變換器電氣原理圖；圖2為本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖3為本發(fā)明的A、B同時(shí)供電的等效電路；圖4為本發(fā)明的A獨(dú)立供電等效電路；圖5為本發(fā)明的B獨(dú)立供電等效電路；圖6為本發(fā)明的A供電，B儲(chǔ)能，C耗能等效電路；圖7為本發(fā)明的A供電，B儲(chǔ)能，C反饋等效電路；圖8為本發(fā)明的仿真波形；圖9為本發(fā)明在太陽(yáng)能汽車電機(jī)系統(tǒng)中的電氣原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明的一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個(gè)BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，一個(gè)脈沖電壓源是由太陽(yáng)能電池A和半橋開關(guān)組組成，另一個(gè)脈沖電壓源是由蓄電池B和半橋開關(guān)組組成，它們均是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個(gè)脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個(gè)端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個(gè)脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。V1、V2分別是兩個(gè)輸入源的輸入電壓，C端為負(fù)載端，MpM2、M3、M4是開關(guān)管，Dp D2、D3、D4是續(xù)流二極管，L是濾波電感，C是濾波電容。光伏電池以最大功率輸入，當(dāng)負(fù)載消耗的功率大于光伏電池提供的功率時(shí)，蓄電池放電以提供不足的負(fù)載功率，當(dāng)負(fù)載消耗的功率小于光伏電池提供的功率時(shí)，則多余的功率用于給蓄電池充電。根據(jù)電路中能量的傳遞，變換器存在五種工作模態(tài)，其一是A、B同時(shí)供電，其二是A單獨(dú)供電，其三是B單獨(dú)供電，其四是A供電，B儲(chǔ)能，C耗能，其五是A供電，B儲(chǔ)能，C反饋。如圖2所示，根據(jù)本發(fā)明的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，在雙向雙輸入BUCK直流變換器中，選擇主從控制方式分配兩路輸入源輸入功率，太陽(yáng)能電池A作為主供電設(shè)備，蓄電池B為后備能源供電設(shè)備，這也符合可再生能源供電系統(tǒng)對(duì)能源的優(yōu)先利用的要求。同時(shí)調(diào)節(jié)A源輸入電流參考值以實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池的最大功率輸出，即實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)跟蹤(Maximum PowerPoint Tracking, MPPT)。如圖3所示A、B同時(shí)供電的等效電路。當(dāng)MpM2開通時(shí)，k增大，A與B串聯(lián)同時(shí)向C供電，V0=V^V2,電流通路為V2-M2-V1-M1-L-C15當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，電感L通過D3、D4續(xù)流，向C供電，V0=O,電流通路為D4-D3-L-C15在這個(gè)工作模態(tài)下，iL恒大于零，A、B向C輸出
倉(cāng)tfi。如圖4所示A獨(dú)立供電等效電路。當(dāng)M1開通時(shí)，電感電流k增加，A向C供電，V0=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，電感L通過D3、D4續(xù)流，向C供電， V0=O,電流通路為L(zhǎng)-C-D4-D315在這個(gè)工作模態(tài)下，iL恒大于零，A向C輸出能量。如圖5所示B獨(dú)立供電等效電路。當(dāng)M2開通時(shí)，電感電流k增加，B向C供電，V0=V2,電流通路為V2-M2-D3-L-C15當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，電感通過03為續(xù)流，D向C供電，V。=。，電流通路為L(zhǎng)-C-D4-D315在這個(gè)工作模態(tài)下，iL恒大于零，B向C輸出能量。如圖6所示A供電、B儲(chǔ)能、C耗能等效電路。當(dāng)M1開通時(shí)，電感電流k增加，A向C供電，Vtj=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，電感通過D3、D4續(xù)流，向C供電，iL減小，V0=O,電流通路為L(zhǎng)-C-D4-D315當(dāng)M3、M4開通時(shí)，電感電流L反向增加，L儲(chǔ)能，電流通路為C-L-M3-M4。接下來將M4關(guān)斷，D2導(dǎo)通，iL反向減小，給B儲(chǔ)能，電流通路為c-l-m3-d2-b。在這個(gè)工作模態(tài)下，k過零，但平均值大于零。如圖7所示A供電、B儲(chǔ)能、C反饋等效電路。當(dāng)M1開通時(shí)，電感電流L增加，A向C供電，V0=V1,電流通路為V1-M1-L-C-D415當(dāng)開關(guān)管都關(guān)斷時(shí)，電感通過D3、D4續(xù)流，向C供電，Il減小，V0=O,電流通路為L(zhǎng)-C-D4-D3O接下來M3> M4開通，iL反向增加，L儲(chǔ)能，電流通路為C-L-M3-M4。再接下來將M4關(guān)斷，這時(shí)D2將導(dǎo)通，k反向減小，給B儲(chǔ)能，電流通路為c-l-m3-d2-b。在這個(gè)工作模態(tài)下，k過零，但平均值小于零。如圖8所示其中(a)為負(fù)載切換信號(hào)，(b)為輸出電壓波形，(C)為電感L電流波形。首先，兩輸入源同時(shí)供電，穩(wěn)定后，切除部分負(fù)載，使A源輸入功率大于負(fù)載功率，自動(dòng)切換到能量回饋工作模態(tài)。按照其工作模態(tài)不同可以分為兩個(gè)工作階段階段I :兩個(gè)輸入源同時(shí)給負(fù)載供電，其中對(duì)A源進(jìn)行最大功率跟蹤，使A源以最大功率輸入。通過電壓調(diào)節(jié)器控制B源輸入的功率，使其提供不足的功率。從(b)中可以看出輸出電壓穩(wěn)定在50V，從(c)中可以看出電感電流恒大于零。階段2 :切除部分負(fù)載，導(dǎo)致瞬態(tài)功率不平衡，A源通過最大功率跟蹤算法，工作在最大功率點(diǎn)，并保持恒定，由于輸出電壓大于給定值，使電壓環(huán)調(diào)節(jié)器輸出減小，變?yōu)樨?fù)值，B源切換到儲(chǔ)能工作模態(tài)，使輸入功率和負(fù)載消耗功率平衡。從(b)中可以看出輸出電壓通過調(diào)節(jié)又穩(wěn)定在50V，從(c)中可以看出電感電流有正的部分和負(fù)的部分，說明可以進(jìn)行能量回饋，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)能量分配。在以上工作過程中，也包含了兩輸入源單獨(dú)給負(fù)載供電和負(fù)載側(cè)回饋能量的工作模態(tài)，這里不在詳細(xì)說明。通過仿真證明本發(fā)明所提出拓?fù)浜凸β史峙浞椒ǖ目尚行院驼_性。下面以該拓?fù)湓谔?yáng)能汽車中的應(yīng)用為例進(jìn)行說明
圖9為該發(fā)明在太陽(yáng)能汽車電機(jī)系統(tǒng)中的電氣原理圖，其具體實(shí)施步驟如下I、太陽(yáng)能電池和蓄電池同時(shí)給電機(jī)系統(tǒng)供電，當(dāng)汽車啟動(dòng)或者重載時(shí)，需求功率較大，按照本發(fā)明所提出的功率分配方法，對(duì)太陽(yáng)能電池進(jìn)行最大功率跟蹤，控制M1通斷，使太陽(yáng)能電池以最大功率給電機(jī)系統(tǒng)供電，再控制M2通斷，使蓄電池提供不足的功率，這樣可以充分利用太陽(yáng)能，相對(duì)于單電源供電，可以提高瞬時(shí)功率。2、太陽(yáng)能電池單獨(dú)供電，當(dāng)蓄電池故障或者太陽(yáng)能電池正好滿足電機(jī)系統(tǒng)需求時(shí)，太陽(yáng)能電池單獨(dú)供電。此時(shí)，通過控制M1通斷，保持功率平衡，確保電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。3、蓄電池單獨(dú)供電。在陰天或者太陽(yáng)能電池故障時(shí)，蓄電池單獨(dú)供電。通過電壓調(diào)節(jié)器控制M2的通斷，穩(wěn)定輸出電壓，滿足電機(jī)系統(tǒng)需求。4、太陽(yáng)能電池供電，蓄電池儲(chǔ)能，電機(jī)系統(tǒng)耗能。當(dāng)光照較強(qiáng)烈，太陽(yáng)能電池發(fā)出的功率大于電機(jī)系統(tǒng)需求的功率時(shí)，控制M3, M4的通斷，將太陽(yáng)能多余的功率儲(chǔ)存到蓄電池中，避免能量浪費(fèi)，光能得以充分利用。 5、太陽(yáng)能電池供電，蓄電池儲(chǔ)能，電機(jī)系統(tǒng)回饋能量。當(dāng)汽車在制動(dòng)或者下坡時(shí)，電機(jī)系統(tǒng)工作在再生制動(dòng)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能回饋到輸入側(cè)，在這種情況下，太陽(yáng)能電池發(fā)出的能量和電機(jī)系統(tǒng)回饋的能量都要儲(chǔ)存到蓄電池中，通過最大功率跟蹤，控制M1通斷，使太陽(yáng)能電池以最大功率輸出，控制M3, M4通斷，將能量?jī)?chǔ)存到蓄電池中，避免能量浪費(fèi)。
權(quán)利要求
1.一種雙向雙輸入BUCK直流變換器，包括兩個(gè)BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，其特征在于每個(gè)脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個(gè)脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個(gè)端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個(gè)脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。
2.一種雙向雙輸入BUCK直流變換器的功率分配方法其特征在于它包括對(duì)兩個(gè)輸入源提供功率和負(fù)載回饋功率的控制，電源A以最大功率輸入，電源B作為功率緩沖單元，當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A提供的功率時(shí)，電源B放電，當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源提供的功率時(shí)，電源B充電，電源A為光伏電池，通過最大功率跟蹤算法保持最大功率輸入，電源B為蓄電池，通過一個(gè)帶反向輸出的調(diào)節(jié)器進(jìn)行能量自動(dòng)分配當(dāng)負(fù)載需求功率大于電源A輸入功率時(shí)，調(diào)節(jié)器輸出為正值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M2的占空比，控制電源B的放電功率；當(dāng)負(fù)載需求功率小于電源A輸入功率時(shí)，負(fù)載電壓升高，調(diào)節(jié)器輸出為負(fù)值，轉(zhuǎn)化為開關(guān)管M4的占空t匕，控制電源B的充電功率，維持負(fù)載電壓穩(wěn)定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種雙向雙輸入BUCK直流變換器及其功率分配方法，一種雙向雙輸入BUCK直流變換器它包括兩個(gè)BUCK脈沖電壓源和LC濾波器，其特征在于每個(gè)脈沖電壓源是由電源和半橋開關(guān)組組成，是在BUCK電路中用功率開關(guān)管代替續(xù)流二極管構(gòu)成脈沖電壓源，兩個(gè)脈沖電壓源相串聯(lián)后，再經(jīng)過LC濾波器給負(fù)載供電，電源正極接到半橋開關(guān)組的高端，電源負(fù)極接到半橋開關(guān)組的低端，并分別從半橋開關(guān)組中間和低端引出兩個(gè)端子與其他電路連接，濾波器由電感L和電容C組成，連接方式為兩個(gè)脈沖電壓源串聯(lián)，再經(jīng)LC濾波器輸出。本發(fā)明具有重量輕、體積小、成本低、損耗小、電路的效率高、輸出電壓波形中的紋波小、不需要隔離變壓器等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02J7/35GK102882370SQ20121033685
公開日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者孫孝峰, 劉飛龍, 李偉松, 李昕 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)