- 頭條具備高增益的非隔離三端口變換器2019-11-28 作者：劉俊峰、胡仁俊、曾君 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語華南理工大學自動化科學與工程學院、華南理工大學電力學院的研究人員劉俊峰、胡仁俊、曾君，在《電工技術學報》2019年第3期上撰文，提出了一種具備高增益的非隔離三端口變換器，變換器三個端口分別連接光伏電池、蓄電池和負載。變換器任意兩個端口間可以實現電壓的調節和功率的流動，通過蓄電池的充電和放電，能夠補償光伏電池與負載之間的功率不平衡，實現對負載連續穩定的供電。此外，通過引入開關電容電路，變換器具備高壓輸出能力。最后，論文給出了變換器的工作原理和穩態分析，并在此基礎上進行了實驗驗證，結果證明了理論分析的正確性以及變換器的可行性。
近年來，環境危機日益嚴重，太陽能、風能等可再生能源受到越來越廣泛的關注。然而可再生能源受外界環境影響，存在供電不穩定、不連續等缺點，因此需要配備了儲能設備的可再生能源供電系統來調節功率，實現連續穩定的供電。
傳統可再生能源供電系統需要一個單向DC-DC變換器和一個雙向DC-DC變換器來實現輸入源、蓄電池和負載端的連接，但是該系統存在體積重量大、可靠性差等問題。而基于三端口變換器的獨立可再生能源供電系統只需一個三端口變換器即可實現輸入源、蓄電池和負載端的功率管理與控制，因此，較傳統可再生能源供電系統而言，其具備高集成度、高效率和低成本等優勢。
基于上述優勢，三端口變換器獲得了廣泛關注與研究。三端口變換器可分為隔離型和非隔離型。隔離型三端口變換器通過高頻變壓器來實現端口間的功率傳輸。根據端口間的隔離程度，非隔離型可以分為完全隔離型和部分隔離型。
傳統的完全隔離型三端口變換器可由三繞組變壓器和半橋或全橋結構組合而成。文獻[7]在全橋結構的基礎上加入了串聯諧振單元，有效提升了變換器的軟開關性能。完全隔離型三端口變換器三個端口間均實現了電氣隔離，安全性較高。但是此類變換器需要大量功率器件，且存在控制復雜的問題。
文獻[8-10]中提出的部分隔離型三端口變換器有效的解決了上述問題，此類變換器有兩個端口之間不存在電氣隔離，安全性能有所下降。
由于變壓器的使用，隔離型變換器大多都存在體積大、效率低等缺點。因此，在不需要電氣隔離的場合，高效率、高功率密度的非隔離型三端口變換器更有優勢。文獻[11]通過組合傳統Buck、Boost或Buck/Boost電路獲得三端口變換器。文獻[12]則在已有的雙輸入或雙輸出變換器基礎上增加一條功率路徑，以獲得非隔離型三端口變換器。然而上述變換器由于增益有限，并不適用于低壓輸入高壓輸出的場合。
如圖1所示，在光伏發電中，光伏電池和蓄電池均為低壓源，在接入微網直流側前需要經過高增益變換器提升電壓。基于此，文獻[15,16]提出了基于耦合電感的非隔離高增益三端口變換器，此類變換器通過增加耦合電感的匝比可有效提升變換器的增益。文獻[17]中則引入了開關電容結構，通過在兩個低壓輸入端嵌入開關電容結構，實現了變換器的高增益輸出。
圖1 高增益三端口變換器在微網中的運用
鑒于可再生能源應用對多端口功率變換和高增益輸出能力提出的新要求，本文提出了一種基于開關電容電路的非隔離型三端口變換器，通過引入一組開關電容結構即實現了兩個低壓輸入端到輸出端的高電壓增益。比較而言，該變換器結構簡單，各端口之間電壓可控性強，并且通過簡單的調制策略即可實現穩定的輸出。
圖13 高增益非隔離三端口變換器
結論
本文提出一種具備高增益的非隔離三端口變換器，變換器的三個端口之間均實現了電壓的調控和功率的流通，因此該變換器適用于光伏電池、蓄電池和負載所構成的獨立可再生能源供電系統。變換器中引入開關電容結構實現了變換器的高壓輸出，通過改變倍壓電容的數量，可以有效調節變換器的升壓范圍。變換器實現了器件的共用，具備了體積小、功率密度高以及成本低等優勢。
