具有寬運行范圍和低EMI特性的非隔離三端口變換器

王紅艷 田巧玉 沈毅斌 余 濤

（四川大學錦江學院 四川 眉山 620010）

0 引言

近年來，以光伏為代表的新能源發電系統得到了廣泛的應用，但由于可再生能源輸出功率會隨著環境的變化而波動，存在輸出電能間歇性的問題。因此，光伏發電系統通常都會配備蓄電池等儲能設備，實現光伏電池與負載之間的功率平衡，進而滿足用戶對供電連續性與平穩性的要求[1-2]。在傳統的光伏/儲能系統中，采用多個二端口變換器實現各電源端和負載端之間的能量管理與控制，但其存在系統體積大、成本高、損耗大無法實現各個端口之間集中式控制等問題。與傳統方案相比，采用多端口變換器接口光伏/儲能系統具有器件數量少，集成度高，效率高、能夠實現集中式控制等優點，因此被廣泛關注[3-4]。在典型的獨立光伏發電系統中，通過一個三端口變換器就可以實現光伏輸入端、儲能端和負載端的能量控制。

近年來，國內外學者對三端口變換器進行了大量研究，三端口變換器根據端口之間是否存在電氣隔離分為隔離型三端口變換器和非隔離型三端口變換器。隔離型三端口變換器端口間有電氣隔離，但器件數量多、體積大、設計復雜，適用于功率較大的場合。非隔離性三端口變換器器件數量少、拓撲簡單、功率密度高，因此在中小功率的場合具有廣泛的應用[5-7]。

但非隔離型三端口變換也存在一些問題[8]，如文獻[7]所提拓撲各端口控制相互獨立，控制易于實現，但是各端口間電壓有限制。例如，負載電壓必須小于蓄電池電壓，而實際光伏電池和儲能設備的電壓會隨環境和荷電狀態的變化而發生較大變化，這無疑增加了變換器的設計難度，也限制了該變換器的寬范圍運行。而文獻[8、9]所提的變換器具有高集成度和高效率的特點，但是端口電流不連續，增加了變換器的（Electromagnetic Interference,EMI）設計難度，也難以進行電流控制。

為了解決上述問題，本文提出了一種拓撲簡單、開關器件少、功率密度高的非隔離型三端口變換器。該變換器在Cuk變換器的基礎上進行推演，擁有與Cuk變換器同樣輸入輸出電流連續的優點，提高了變換器整體的電磁兼容性。此外所提拓撲有效地解決了文獻[9]所提出拓撲存在各端口電壓大小受限的問題，各端口電壓之間可以靈活控制，實現了系統的寬范圍運行。

1 電路結構和工作原理

1.1 電路結構

本文提出的三端口變換器是在Cuk變換器的基礎上，增加兩個開關管和兩個二極管構成，電路結構如圖1所示，包含3個開關管 （S1～S3），4個二極管（D1～D4），輸入電容Cin，中間電容C1，輸出電容Co，電感（L1、L2），輸入源光伏電池Vpv，蓄電池VBat以及輸出電阻Ro。

圖1 非隔離三端口變換器拓撲結構

其中光伏電池最大功率輸出是通過調節控制開關管S1實現，變換器輸出電壓是通過控制開關管S2和S3來調節蓄電池的充放電功率而實現。

1.2 工作原理

本文所提出的三端口變換器有兩種工作模式。如圖2（a）所示，當光伏電池輸出功率超過負載所需時，光伏電池以最大功率輸出，但此時蓄電池工作在充電吸收功率狀態，光伏電池同時為蓄電池和負載提供能量，變換器工作在單輸入雙輸出模式 （Single-input Dual-output,SIDO）。 如圖 2（b）所示，當光伏電池輸出功率小于負載所需時，光伏電池輸出最大功率，蓄電池則工作在放電輸出功率狀態，二者同時為負載提供能量，變換器工作在雙輸入單輸出模式 （Dual-input Single-output,DISO）。

圖2 所提變換器功率流示圖

SIDO模式：在該模式下，光伏電池同時為蓄電池和負載提供能量。圖3為電路在該模式下相應工作波形，其中TS為工作周期，vsi和dsi分別為開關管Si（i=1、2、3）的驅動信號和占空比。iL1為通過電感L1的電流，iL2為通過電感L2的電流。該模式下開關管S3不參與工作，而處于關斷狀態，開關管S1控制光伏電池輸出功率，開關管S2控制負載端輸出電壓。一個工作周期內，變換器在該模式下存在3種工作模態。

圖3 單輸入雙輸出模式下工作波形

模態 1[t0～t1]：t0時刻，S1和S2均導通，D4正向導通，等效電路如圖4（a）所示。光伏電池與L1構成一個回路，光伏電池為L1充電，iL1儲能線性增大。C1釋放能量為L2、Co、Ro充電，iL2儲能線性增大。當開關管S1關斷時，模態1結束。

模態 2[t1～t2]：t1時刻，S1關斷，S2繼續導通，D2和D4正向導通，等效電路如圖4（b）所示。光伏電池、L1和C1構成一個回路，光伏電池與L1為C1充電，iL1線性減小。L2放電為Ro和Co提供能量，iL2線性減小。當開關管S2關斷時，模態2結束。

模態 3[t2～t3]：t2時刻，S2關斷，D2、D3、D4正向導通，等效電路如圖 4（c）所示。光伏電池、L1、C1和蓄電池構成一個回路，光伏電池與L1為C1和蓄電池充電，蓄電池和C1儲存能量，此時iL1仍線性減小，但相對于模態2，由于本模態同時需要向蓄電池釋放能量，因此下降斜率增大。同時L2仍放電為Ro和Co提供能量，iL2線性減小。直到開關管S1、S2導通，變換器工作模態3結束，并開始下一個工作周期。

DISO模式：在該模式下，光伏電池和蓄電池同時為負載提供能量。圖5為電路在該模式下相應工作波形，該模式下開關管S2一直處于導通狀態，開關管S1控制光伏電池輸出功率，開關管S3控制負載端輸出電壓。同樣，一個工作周期內，變換器在該模式下存在3種工作模態。

圖4 單輸入雙輸出模式下工作模態等效電路

圖5 雙輸入單輸出模式下工作波形

模態 1[t0～t1]：t0時刻，S1和S3均導通，等效電路如圖6（a）所示。光伏電池、L1與蓄電池構成一個回路，蓄電池處于放電釋放能量狀態，與光伏電池共同為L1充電，則iL1儲能線性增大。C1放電為L2、Co以及Ro提供能量，iL2儲能線性增大。當開關管S3關斷時，模態1結束。

模態 2[t1～t2]：t1時刻，S3關斷，S1繼續導通，D4正向導通，等效電路如圖6（b）所示。光伏電池與L1構成一個回路，并為L1充電，iL1線性增長，但iL1增長斜率相較于模態1減小，因為在本模態只有光伏電池為其充電。C1仍放電為L2、Co以及Ro提供能量，iL2儲能線性增大。當開關管S1關斷時，模態2結束。

模態 3[t2～t3]：t2時刻，S1關斷，D2、D4正向導通，等效電路如圖6（c）所示。光伏電池、L1和C1構成一個回路，光伏電池與L1同時為C1充電，L1釋放能量，iL1線性減小。L2放電為Ro和Co提供能量，則iL2線性減小。直到開關管S1、S3導通，變換器工作模態3結束，并開始下一個工作周期。

圖6 雙輸入單輸出模式下工作模態等效電路

2 穩態分析

2.1 電壓增益分析

由上述內容可知，所提非隔離三端口變換器各端口電壓分別為Vpv、VBat以及Vo。為了得出三個端口對應電壓在穩態時的關系，本節將進行詳細分析。

由1.2節可知變換器端口間能量的傳遞由電感L1、電感L2以及中間電容C1承擔，在SIDO模式下，可得到每個模態的電感電壓以及中間電容的電流大小：

當S1與S2均導通時：VL1=Vpv、VL2=-VC1-Vo、iC1=iL2。

當S1關斷，S2導通時：VL1=Vpv、VBat-VC1-VC1、VL2=Vo、iC1=-iL1。

當S1與S2均關斷時：VL1=Vpv-VBat-VC1、VL2=-Vo、Vo、iC1=-iL1。

根據伏秒平衡原理，對L1可得：

同理對L2可得：

根據安秒平衡原理，對C1可得：

整理（1）～（3）式可得：

同理分析變換器在DISO模式下三個端口電壓間的關系，根據伏秒平衡原理和安秒平衡原理對L1、L2以及C1可得：

整理式（6）～（8）可得：

2.2 電路關鍵參數選擇分析

（1）電感選型原則：由于所述變換器是以Cuk變換器為基礎，且根據上述原理分析，可知所述變換器CCM與電感電流斷續 （Discontinuous Current Mode，DCM）工作模式的確定方法與Cuk變換器工作模式的確定方法相似[12]。因此為了得出變換器可工作在CCM的條件，需求出電感的臨界值Lc1與Lc2，以及其等效臨界電感值Lce（Lce=Lc1||Lc2）。此外所述變換器工作在SIDO模式下DCM的可能性比DISO模式下更大，因此，如果變換器在SIDO模式下可保證CCM，則其他模式也可以獲得CCM。

因此，以SIDO模式進行分析，電感電流在穩態時有：

電感電流臨界連續時有：

整理式（11）和（12）可得出臨界電感L1c、L2c以及等效臨界電感值Lce：

由此可得電感選型原則為：如果Le（L1||L2）>Lce，則所述變換器工作在CCM模式；如果Le

（2）開關管選型原則：根據上述工作原理分析，可以綜合DISO與SIDO兩種工作模式在穩態狀況下各開關管的電壓電流應力，作為開關管的選型原則：

3 仿真及結果分析

為了驗證所述變換器的正確性與可行性，在PSIM軟件中搭建了仿真電路，選擇電路仿真參數如下：變換器工作頻率fS=50 kHz，電感L1=300 μH，電感L2=300 μH，電容C1=100 μF，電容Co=1 000 μF，輸出參考電壓Vo_ref=48 V，光伏電池最大功率點電壓Vpv=25 V，最大功率點電流Ipv=5 A，蓄電池電壓VBat=36 V。

3.1 穩態分析

當負載Ro=22 Ω時，進行仿真驗證。圖7為所述變換器在穩態時的波形圖，其中光伏電池輸出電流Ipv=5 A，可知光伏電池工作在最大功率輸出狀態，則Ppv=125 W。此外由輸出電壓波形可知Vo穩定在48 V，那么輸出功率Po=Vo2/Ro=104.7 W。Ppv>Po，則所述變換器應工作在SIDO模式，光伏電池為蓄電池和負載同時提供能量。

圖7 單輸入雙輸出模式下仿真波形

根據電感電流iL1與iL2以及開關管驅動信號VS1與VS2波形可知，開關管S1與S2導通時，iL1線性增大，iL2線性增大。當開關管S1關斷后，iL1線性減小，iL2線性減小。當開關管S2關斷后，iL2以不變斜率線性減小，但iL1下降斜率增大，由蓄電池電流iBat可知，此時正是蓄電池充電時期，符合所述變換器的工作原理，仿真結果與圖3理論分析一致。

同理，圖8為變換器工作在DISO模式下的波形。負載Ro=17 Ω，Po=135.5 W。Ppv

圖8 雙輸入單輸出模式下仿真波形

3.2 動態分析

為了驗證所述變換器可根據端口能量變化，而在SIDO與DISO兩種工作模式間切換，通過對輸入光伏電池輸出功率以及負載端需求功率進行突變仿真，電路仿真參數設置不變。

光伏輸出功率波動：負載需求功率保持110 W不變，在0.3 s時，模擬光伏電池受到天氣影響，太陽光突然減弱，輸出功率從125 W突降為100 W，則變換器應進行工作模式調節。圖9（a）所示是變換器在該調節過程中的相應波形，由ipv波形可知，光伏電池輸出電流從5 A降到4 A，輸出功率小于負載所需，根據iBat由正變為負的波形可知，蓄電池也從充電狀態調節至放電狀態。而輸出電壓Vo與io也經過一段調整期重新進入穩態，變換器完成了從SIDO模式到DISO模式的切換。

同理，負載需求功率保持110 W不變，在0.3 s時，光伏電池輸出功率從100W突升為125 W。圖9（b）是變換器從DISO模式切換到SIDO模式的波形，根據ipv、Vo、io以及iBat的調節過程可知變換器模式切換是可行的。

圖9 輸入功率波動下工作模式切換波形

負載功率跳變：光伏輸出功率保持125 W不變，在0.3 s時，負載需求功率從110 W突升到130 W，由圖10中iBat波形可知，蓄電池電流由正變為負，從充電模式轉換為放電模式，變換器從原來的SIDO模式調節至DISO模式，而輸出電壓Vo與輸出電流io也經過一段時間調節后又重新穩定，由此可知變換器模式切換的可行性。

圖10 負載功率波動下工作模式切換波形

4 結論

本文提出了一種應用于光伏系統的非隔離三端口變換器，分析了該變換器的工作原理與工作特性，并通過仿真驗證了理論分析的正確性。所提變換器具有以下優點：

（1）變換器拓撲結構簡單，僅通過三個開關器件就可實現端口間的能量控制；

（2）變換器在穩態時三個端口的電壓關系靈活，適用于光伏電池、儲能單元等電壓變化范圍寬的系統，從而使系統具有寬范圍運行的能力；

（3）變換器光伏輸入端口和負載端口電流均連續，從而減小了系統能量的損耗、控制的復雜度以及EMI的設計難度。