具备高增益的非隔离三端口变换器

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摘要

华南理工大学自动化科学与工程学院、华南理工大学电力学院的研究人员刘俊峰、胡仁俊、曾君，在《电工技术学报》2019年第3期上撰文，提出了一种具备高增益的非隔离三端口变换器，变换器三个端口分别连接光伏电池、蓄电池和负载。

变换器任意两个端口间可以实现电压的调节和功率的流动，通过蓄电池的充电和放电，能够补偿光伏电池与负载之间的功率不平衡，实现对负载连续稳定的供电。此外，通过引入开关电容电路，变换器具备高压输出能力。最后，论文给出了变换器的工作原理和稳态分析，并在此基础上进行了实验验证，结果证明了理论分析的正确性以及变换器的可行性。

近年来，环境危机日益严重，太阳能、风能等可再生能源受到越来越广泛的关注。然而可再生能源受外界环境影响，存在供电不稳定、不连续等缺点，因此需要配备了储能设备的可再生能源供电系统来调节功率，实现连续稳定的供电。

传统可再生能源供电系统需要一个单向DC-DC变换器和一个双向DC-DC变换器来实现输入源、蓄电池和负载端的连接，但是该系统存在体积重量大、可靠性差等问题。而基于三端口变换器的独立可再生能源供电系统只需一个三端口变换器即可实现输入源、蓄电池和负载端的功率管理与控制，因此，较传统可再生能源供电系统而言，其具备高集成度、高效率和低成本等优势。

基于上述优势，三端口变换器获得了广泛关注与研究。三端口变换器可分为隔离型和非隔离型。隔离型三端口变换器通过高频变压器来实现端口间的功率传输。根据端口间的隔离程度，非隔离型可以分为完全隔离型和部分隔离型。

传统的完全隔离型三端口变换器可由三绕组变压器和半桥或全桥结构组合而成。文献[7]在全桥结构的基础上加入了串联谐振单元，有效提升了变换器的软开关性能。完全隔离型三端口变换器三个端口间均实现了电气隔离，安全性较高。但是此类变换器需要大量功率器件，且存在控制复杂的问题。

文献[8-10]中提出的部分隔离型三端口变换器有效的解决了上述问题，此类变换器有两个端口之间不存在电气隔离，安全性能有所下降。

由于变压器的使用，隔离型变换器大多都存在体积大、效率低等缺点。因此，在不需要电气隔离的场合，高效率、高功率密度的非隔离型三端口变换器更有优势。文献[11]通过组合传统Buck、Boost或Buck/Boost电路获得三端口变换器。文献[12]则在已有的双输入或双输出变换器基础上增加一条功率路径，以获得非隔离型三端口变换器。然而上述变换器由于增益有限，并不适用于低压输入高压输出的场合。

如图1所示，在光伏发电中，光伏电池和蓄电池均为低压源，在接入微网直流侧前需要经过高增益变换器提升电压。基于此，文献[15,16]提出了基于耦合电感的非隔离高增益三端口变换器，此类变换器通过增加耦合电感的匝比可有效提升变换器的增益。文献[17]中则引入了开关电容结构，通过在两个低压输入端嵌入开关电容结构，实现了变换器的高增益输出。

图1  高增益三端口变换器在微网中的运用

鉴于可再生能源应用对多端口功率变换和高增益输出能力提出的新要求，本文提出了一种基于开关电容电路的非隔离型三端口变换器，通过引入一组开关电容结构即实现了两个低压输入端到输出端的高电压增益。比较而言，该变换器结构简单，各端口之间电压可控性强，并且通过简单的调制策略即可实现稳定的输出。

图13 高增益非隔离三端口变换器

结论

本文提出一种具备高增益的非隔离三端口变换器，变换器的三个端口之间均实现了电压的调控和功率的流通，因此该变换器适用于光伏电池、蓄电池和负载所构成的独立可再生能源供电系统。变换器中引入开关电容结构实现了变换器的高压输出，通过改变倍压电容的数量，可以有效调节变换器的升压范围。变换器实现了器件的共用，具备了体积小、功率密度高以及成本低等优势。

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