一种用于光储系统的多端口高增益变换器

1.本技术涉及电子设备领域，尤其是涉及一种用于光储系统的多端口高增益变换器。


背景技术：

2.随着高比例新能源设备接入电力系统，光储系统可以在能源消耗高峰期为用户提供可靠的电力，应用较为广泛，不仅可以作为一个独立系统，在没有主网支撑的地区供电，也可作为备用电源使城市电网更加弹性化。为实现这一目标，有必要通过研究高效光储变换器优化系统的效率和性能。由于新能源发电受环境影响较大，输出电压等级较低，因此需要在输出端口处接入升压变换器，用于电能变换，进行升压操作。考虑到在该场景中往往包含发电装置和储能电池等多个输入来源，因此多输入端口dc-dc变换器收到了广泛的关注，高增益多输入端口变换器可以降低总设计成本、提高系统的可靠性。多输入端口dc-dc变换器在需要集成多个电源的可持续能源应用中越来越受欢迎。与单输入端口变换器相比，高增益多输入端口dc-dc变换器可以降低设计成本并提高可靠性。
3.如图1所示的为一种已有的多输入端口dc-dc变换器，其包括：光伏电池、电感l1、电感l2、功率开关q1、功率开关q2、电容c1、电容c2、二极管d1、储能电池。其中光伏电池、电感l1、功率开关q2、二极管d1、输出端v0依次串联；其中光伏电池在节点a1连接电感l1后，并在节点a2和节点b1与功率开关q1并联；电感l1在a2节点分别连接功率开关q1、功率开关q2；储能电池vbat在节点b2和节点b3与电容c2并联后，在节点b2串联电感l2后，在节点a3和节点a4与二极管d1并联；其中电容c1在节点a5和节点b4与输出端v0并联。
4.多输入端口dc-dc变换器在需要集成多个电源的可持续能源应用中越来越受欢迎，然而现有的技术方案中会存在一些问题，例如：1、由于需要满足高电压增益的需求，上述变换器中的功率开关和二极管会承受较大的电压应力，因此需要高功率额定器件；2、大部分多输入端口dc-dc变换器的输出电压纹波较高，为了解决这一问题，虽然已有技术方案进行了改进，但会降低变换器的电压增益，这使得它对工业用途实际上是有限的。
5.尤其是针对大规模光储并联系统，随着新能源发电单元、负载以及储能单元的持续接入，电力系统的结构、控制策略也越来越复杂。通过研制多端口高增益变换器构成多模块化储能直流侧并联形式是未来智能配用电系统的重要组成部分，对推进节能减排和实现能源可持续发展有重要意义。


技术实现要素：

6.本技术提供了一种用于光储系统的多端口高增益变换器，能够至少解决以上的一个问题，可以在相同数量的设备下提供更大的增益。
7.为了达到上述目的，本技术实施例提出了一种用于光储系统的多端口高增益变换
器；包括：光伏电池、储能电池、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，第一电容、第二电容、第三电容、输出电容，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关，二极管。
8.其中，光伏电池、第三开关、第二开关、第二电感依次串联，且第一开关与第三开关并联；第一开关与第一电容串联后与第三开关并联；第一电感一端连接在光伏电池与第二电感之间，另一端连接在第一开关与第一电容之间。
9.其中二极管、第二电容、第三电感、储能电池、第三电容依次串联，并与第二开关与第三开关并联；其中二极管的正极连接第二电容，负极连接第三电容。
10.其中，第四开关与第三电感、储能电池并联；其中，第四电感与第二电容、第三电感、储能电池并联；其中，输出电容与第五开关串联后，与二极管、第二电容、第三电感、储能电池并联。
11.上述第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关均采用可实现功率双向流动的功率开关，特别是采用绝缘栅双极晶体管（简称：igbt）。
12.其中，输出端口电压v0与光伏电池的供电电压、储能电池的供电电压之间的表达关系式为：（1）
13.式（1）中，v0表示输出端口电压，v1表示光伏电池的供电电压，v2表示储能电池的供电电压，其中v1由光伏电池提供，也就是光伏电池的输出端口电压，v2由储能电池提供也就是储能电池的输出端口电压，忽略线路损耗。d1表示占空比1，d2表示占空比2。
14.其中第一开关、第二开关、第四开关处于导通状态，第三开关、第五开关、二极管处于关断状态；光伏电池和储能电池为第一电感和第二电感进行充电以存储能量；且储能电池和第二电容向第三电感和第四电感放电；输出电容处于放电状态。
15.其中第三开关、第四开关和第五开关关断，二极管导通；储能电池和第三电感向第二电容充电，且储能电池、第三电感和第四电感同时向第三电容充电，光伏电池向第一电感充电，储能电池向第二电感充电。
16.其中第一开关、第二开关、二极管关断，第四开关、第三开关和第五开关处于导通状态。此时，光伏电池、第二电感和第三电容通过第五开关向负载及输出电容放电。
17.为了达到上述目的，本技术实施例还提出了一种用于光储系统的多端口高增益变换器的控制方法，通过研制多端口高增益变换器有利于实现直流母线电压的平稳控制以及系统的稳定与运行。所述方法包括以下的至少一个步骤：其中第一开关、第二开关、第四开关处于导通状态，第三开关、第五开关、二极管处于关断状态；光伏电池和储能电池为第一电感和第二电感进行充电以存储能量；且储能电池和第二电容向第三电感和第四电感放电；输出电容处于放电状态；其中第三开关、第四开关和第五开关关断，二极管导通；储能电池和第三电感向第二电容充电，且储能电池、第三电感和第四电感同时向第三电容充电，光伏电池向第一电感充电，储能电池向第二电感充电；或其中第一开关、第二开关、二极管关断，第四开关、第三开关和第五开关处于导通
状态。此时，光伏电池、第二电感和第三电容通过第五开关向负载及输出电容放电。
18.本技术的上述技术方案的有益效果如下：本技术中给出了一种输入电流连续的模块化高电压增益多输入端口dc-dc变换器拓扑结构；与现有的技术相比，本技术实施例所提出的拓扑结构可以在相同数量的设备下提供更大的增益。也就是说，本技术提出的拓扑结构使用了更少的器件实现相同的电压增益。
19.本技术的另一个优点是，当需要变换器输出电压等级较高时，开关和二极管上的反向电压均没有超过上限值。并且，该拓扑结构具备较好的拓展性，可以对输入端口进行扩展，同时增加系统的电压增益。通过本技术提出的多端口高增益变换器，可以构建出多模块化的储能直流侧并联系统。基于本发明可实现光储系统中的能量双向流动，与现有的交直流微电网或配电网并联，并能够有效隔离交流扰动或故障，保障直流系统内负荷的高可靠供电。
20.同时，本技术还提供了一种储能变换装置的控制方法，通过研制多端口高增益变换器可以实现直流母线电压的平稳控制、系统的稳定和可靠运行。
附图说明
21.图1为一种现有的多输入端口dc-dc变换器；图2为本技术实施例的电路结构示意图；图3为图2的电路工作在模式一下的等效电路图；图4为图2的电路工作在模式二下的等效电路图；图5为图2的电路工作在模式三下的等效电路图；图6为图2的电路在应用于多个输入端口的时候的扩展电路图。
具体实施方式
22.为使本技术要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
23.如图2所示的，本技术的实施例提出了一种用于光储系统的多端口高增益变换器，其包括：多输入端口dc-dc变换器拓扑结构如图2所示，该拓扑结构包括光伏电池v1、储能电池v2，四个电感：第一电感、第二电感、第三电感、第四电感；以下分别简称为：电感l1、电感l2、电感l3、电感l4；四个电容：第一电容、第二电容、第三电容、输出电容，以下分别简称为：电容c1、电容c2、电容c3、电容co；五个开关：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关，以下分别简称为：开关q1、开关q2、开关q3、开关q4、开关q5；和一个二极管d1。
24.为了更为清晰的表述，如图2所示的为每一个连接节点也都进行了编号。如图2所示的，输入端口（即光伏电池v1）的接入点设置为节点b1和节点b7。电感l1位于节点b1与节点b2之间，电感l2位于节点a1与b1之间，电感l3位于节点b5与节点b6之间，电感l4位于节点b4与节点b7之间。电容c1位于节点b2与节点b3之间，电容c2位于节点b4与b5之间，电容c3位于节点a1与节点a2之间，电容co位于节点a3与节点b7之间。二极管d1位于节点a2与节点b4之间。开关q1位于节点b2与节点b7之间，开关q2位于节点a1与节点b3之间，开关q3位于节点
b3与节点b7之间，开关q4位于节点b5与节点b7之间，开关q5位于节点a2与节点a3之间，输入端口（储能电池v2）连接节点b6与b7，与电感l3串联。最终系统的输出端口分别为节点a3和节点b7，节点a3作为正输出端口，节点b7作为负输出端口。上述开关q1、开关q2、开关q3、开关q4、开关q5采用igbt开关管。
25.在一些实施例中，为了实现功率的双向流动，开关q1、开关q2、开关q3、开关q4、开关q5均选取为双向的功率开关。系统共有两个输出端口：光伏电池v1的输出端口、储能电池v2的输出端口。其中，开关q1和开关q2的驱动波形一致，开关q3、开关q5的驱动波形与开关q1、开关q2的驱动波形互补；根据导通机制，只需要两个占空比控制信号占空比1和占空比2分别对开关q1和开关q4进行控制即可。从而，根据如图2所示的电路图中的五个开关和二极管的状态组合，多输入端口dc-dc变换器可以工作在多种模式之下。示例性的，如图3、图4、图5所示的列出了三种系统的工作模式：模式一：开关q1、开关q2、开关q4处于导通状态，开关q3、开关q5、二极管d1处于关断状态，处于关断状态的电路未连通，因此开关q3、开关q5、二极管d1对应的电路自图2中删除后形成如图3所示电路结构。此时，电感l1和电感l2存储能量，分别由光伏电池v1和储能电池v2进行充电。同时，储能电池v2和电容c2向电感l3和电感l4放电；输出电容co处于放电状态。
26.模式二：开关q3、开关q4和开关q5处于关断状态，处于关断状态的电路未连通，开关q3、开关q4和开关q5对应的电路自图2中删除后形成如图4所示电路结构，二极管d1处于导通状态。储能电池v2和电感l3向电容c2充电，储能电池v2、电感l3和电感l4同时向电容c3充电。光伏电池v1向电感l1进行充电，储能电池v2向电感l2充电。
27.模式三：开关q1、开关q2和二极管d1处于关断状态，处于关断状态的电路未连通，开关q1、开关q2和二极管d1对应的电路自图2中删除后形成如图5所示电路结构，开关q4、开关q3和q5处于导通状态。此时，光伏电池v1、电感l2和电容c3通过开关q5向负载及输出电容co放电。
28.输出端口电压v0与光伏电池的供电电压、储能电池的供电电压的表达关系式：（1）式（1）中，v0表示输出端口电压，其中v1由光伏电池v1提供，也就是光伏电池v1的输出端口电压；v2由储能电池v2提供，也就是储能电池v2的输出端口电压；在这里，忽略线路损耗，因此v1既是光伏电池v1的输出端口电压，也是输出端口的输入电压，v2既是储能电池v2的输出端口电压，也是输出端口的输入电压，因此两者是相同的，在随后不再进行区分说明。d1和d2分别表示占空比1和占空比2。
29.同时本技术实施例还提出了一种用于光储系统的多端口高增益变换器的控制方法，通过研制多端口高增益变换器有利于实现直流母线电压的平稳控制以及系统的稳定与运行。所述方法包括以下的至少一个步骤：其中开关q1、开关q2、开关q4处于导通状态，开关q3、开关q5、二极管d1处于关断状态；光伏电池v1和储能电池v2为电感l1和电感l2进行充电以存储能量；且储能电池v2和电容c2向电感l3和电感l4放电；电容co处于放电状态；其中开关q3、开关q4和开关q5关断，二极管d1导通；储能电池v2和电感l3向电容c2
充电，且储能电池v2、电感l3和电感l4同时向电容c3充电，光伏电池v1向电感l1充电，储能电池v2向电感l2充电；或其中开关q1、开关q2、二极管d1关断，开关q4、开关q3和开关q5处于导通状态。此时，光伏电池v1、电感l2和电容c3通过开关q5向负载及输出电容co放电。
30.如图6所示的，在双输入端口拓扑结构的基础上，本技术所提的拓扑结构可以通过级联的形式进行拓展，拓展方式如图6所示。利用该方式不仅可以实现输出端口的输入端口的增加，而且可以提高电压增益，是本技术的另一个显著优势。如图6所示的，可以包括多个拓展单元，如图6所示的扩展单元#1、扩展单元#2、.......扩展单元#n。
31.该发明提出了一种高增益多输入端口dc/dc变换器拓扑结构，同时具备扩展功能。在两输入端口的基础上，以模块化的形式可以扩展至n个输入端口；与现有技术相比，本技术提出的拓扑结构在实现同等电压增益的基础上，使用了更少的元器件个数，节省了系统的体积与成本。随着新能源发电产业的普及，在发电场景中存在多个输入源；通过申请实施例的方案中还可以将双端口输入扩展至多端口输入系统，具备较好的应用前景。基于多端口高增益变换器，有利于在各种复杂工况下实现直流母线电压稳定，是未来大规模光储耦合直流系统实现同步并网与主动支撑控制功能的关键。本技术实施例所提出的拓扑结构可以在相同数量的设备下提供更大的增益。也就是说，本技术提出的拓扑结构使用了更少的器件实现相同的电压增益。本技术的另一个优点是，当需要变换器输出电压等级较高时，开关和二极管上的反向电压均没有超过上限值。并且，该拓扑结构具备较好的拓展性，可以对输入端口进行扩展，同时增加系统的电压增益。
32.本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本技术的范围。
33.所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
34.以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种用于光储系统的多端口高增益变换器，其特征在于，包括：光伏电池、储能电池、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感，第一电容、第二电容、第三电容、输出电容、第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关，二极管；其中，光伏电池、第三开关、第二开关、第二电感依次串联，且第一开关与第三开关并联；第一开关与第一电容串联后与第三开关并联；第一电感一端连接在光伏电池与第二电感之间，另一端连接在第一开关与第一电容之间；其中二极管、第二电容、第三电感、储能电池、第三电容依次串联，并与第二开关与第三开关并联；其中二极管的正极连接第二电容，负极连接第三电容；其中，第四开关与第三电感、储能电池并联；其中，第四电感与第二电容、第三电感、储能电池并联；其中，输出电容与第五开关串联后，与二极管、第二电容、第三电感、储能电池并联。2.根据权利要求1所述的用于光储系统的多端口高增益变换器，其特征在于，其中，输出端口电压与光伏电池的供电电压、储能电池的供电电压之间的表达关系式为：其中v0表示输出端口电压，v1表示光伏电池的供电电压， v2表示储能电池的供电电压，其中v1由光伏电池提供，v2由储能电池提供；d1表示占空比1，d2表示占空比2。3.根据权利要求1所述的用于光储系统的多端口高增益变换器，其特征在于，其中第一开关、第二开关、第四开关处于导通状态，第三开关、第五开关、二极管处于关断状态；光伏电池和储能电池为第一电感和第二电感进行充电以存储能量；且储能电池和第二电容向第三电感和第四电感放电；输出电容处于放电状态。4.根据权利要求1所述的用于光储系统的多端口高增益变换器，其特征在于，其中第三开关、第四开关和第五开关关断，二极管导通；储能电池和第三电感向第二电容充电，且储能电池、第三电感和第四电感同时向第三电容充电，光伏电池向第一电感充电，储能电池向第二电感充电。5.根据权利要求1所述的用于光储系统的多端口高增益变换器，其特征在于，其中第一开关、第二开关、二极管关断，第四开关、第三开关和第五开关处于导通状态；此时光伏电池、第二电感和第三电容通过第五开关向负载及输出电容放电。

技术总结
本发明涉及一种用于光储系统的多端口高增益变换器，光伏电池、第三开关、第二开关、第二电感依次串联，且第一开关与第三开关并联；第一开关与第一电容串联后与第三开关并联；第一电感一端连接在光伏电池与第二电感之间，另一端连接在第一开关与第一电容之间；二极管、第二电容、第三电感、储能电池、第三电容依次串联，与第二开关与第三开关并联；二极管的正极连接第二电容，负极连接第三电容；第四开关与第三电感、储能电池并联；第四电感与第二电容、第三电感、储能电池并联；输出电容与第五开关串联后，与二极管、第二电容、第三电感、储能电池并联。该装置构建出多模块化的储能直流侧并联，实现光储系统中的能量双向流动，保证高可靠供电。靠供电。靠供电。


技术研发人员：刘硕 陈明轩 马速良 谢伟 张宝平 吴瑞鹏 周旭
受保护的技术使用者：北方工业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/9/9