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近年來，環(huán)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(huán)境影響，存在供電不穩(wěn)定、不連續(xù)等缺點，因此需要配備了儲能設備的可再生能源供電系統(tǒng)來調(diào)節(jié)功率，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供電。

傳統(tǒng)可再生能源供電系統(tǒng)需要一個單向DC-DC變換器和一個雙向DC-DC變換器來實現(xiàn)輸入源、蓄電池和負載端的連接，但是該系統(tǒng)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(tǒng)只需一個三端口變換器即可實現(xiàn)輸入源、蓄電池和負載端的功率管理與控制，因此，較傳統(tǒng)可再生能源供電系統(tǒng)而言，其具備高集成度、高效率和低成本等優(yōu)勢。

基于上述優(yōu)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(xiàn)端口間的功率傳輸。根據(jù)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(tǒng)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(lián)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(xiàn)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(yōu)勢。文獻[11]通過組合傳統(tǒng)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(fā)電中，光伏電池和蓄電池均為低壓源，在接入微網(wǎng)直流側前需要經(jīng)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(xiàn)了變換器的高增益輸出。

圖1 高增益三端口變換器在微網(wǎng)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(xiàn)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(diào)制策略即可實現(xiàn)穩(wěn)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(xiàn)了電壓的調(diào)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(tǒng)。變換器中引入開關電容結構實現(xiàn)了變換器的高壓輸出，通過改變倍壓電容的數(shù)量，可以有效調(diào)節(jié)變換器的升壓范圍。變換器實現(xiàn)了器件的共用，具備了體積小、功率密度高以及成本低等優(yōu)勢。