0 引言

    能源是整個(gè)人類社會(huì)發(fā)展與進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和動(dòng)力來源。隨著人類社會(huì)的飛速發(fā)展，煤炭、石油等不可再生能源的消耗量日益增加，能源衰竭、環(huán)境污染等問題已經(jīng)嚴(yán)重影響了社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展^[1-3]。近十年來新能源作為解決能源危機(jī)，實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)可持續(xù)健康發(fā)展的清潔能源，逐漸成為各國(guó)科學(xué)家研究的熱點(diǎn)。但由于新能源分布范圍廣，且易受到地理環(huán)境和天氣的影響，存在著不穩(wěn)定、不連續(xù)等缺點(diǎn)，因此將多種分布式能源采用多輸入直流變換器將其聯(lián)合，組成聯(lián)合供電系統(tǒng)，不僅可簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)、避免獨(dú)立供電不穩(wěn)定和不連續(xù)的缺點(diǎn)，同時(shí)也可提高分布式發(fā)電系統(tǒng)供電的可靠性^[4-7]。

    近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多輸入直流變換器進(jìn)行了深入的研究，并相繼提出了多種多輸入拓?fù)?，尤?a class="innerlink" href="http://ihrv.cn/tags/雙輸入" title="雙輸入" target="_blank">雙輸入拓?fù)溲芯孔顬槿妗Ｈ纾何墨I(xiàn)[3]、[5]各自提出了一種雙輸入Buck變換器，由文獻(xiàn)[2]對(duì)其總結(jié)可知，所提變換器雖具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開關(guān)電壓應(yīng)力低，且可實(shí)現(xiàn)多種能源輸入等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其拓?fù)涞木窒扌约创送負(fù)鋬H是降壓變換器，電壓增益低，不能滿足并網(wǎng)逆變器的需要。為此文獻(xiàn)[2]、[7]分別提出來一種新型雙輸入升壓拓?fù)?，所提拓?fù)潆m彌補(bǔ)了文獻(xiàn)[3]、[5]中拓?fù)潆妷涸鲆娴偷娜毕荩廊痪哂芯窒扌约磧H是升壓變換器，即不能滿足同時(shí)需要升降壓的應(yīng)用場(chǎng)合。為實(shí)現(xiàn)雙輸入升降壓，文獻(xiàn)[8]提出了一種雙輸入Buck-boost變換器，該拓?fù)潆m能實(shí)現(xiàn)電壓升降輸出且電壓增益高，但輸出電壓為負(fù)極性的，因而不滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求。文獻(xiàn)[9]也提出了一種耦合電感雙輸入升降壓變換器，所提變換器雖能實(shí)現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)，但拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度大。

    為彌補(bǔ)上述變換器的不足，本文提出一種新型雙輸入Sepic變換器，該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、升降壓輸入/輸出電壓同極性、開關(guān)電壓應(yīng)力低，而且可允許多種形式的能源輸入等優(yōu)點(diǎn)。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

    新型雙輸入Sepic變換器如圖1所示，由4個(gè)升壓電感L₁、L₂、L₃、L₄，2個(gè)開關(guān)管Q₁、Q₂，2個(gè)續(xù)流二極管D₁、D₂，4個(gè)升壓電容C₁、C₂、C₃、C₄及負(fù)載R構(gòu)成。根據(jù)輸入源的數(shù)量，有單輸入和雙輸入兩種工作狀態(tài)。下面詳細(xì)分析兩種輸入狀態(tài)下電路的工作原理。

1.1 單輸入狀態(tài)的工作原理

    當(dāng)直流電源U₁、U₂分別單輸入時(shí)其工作原理與傳統(tǒng)單輸入Sepic變換器的工作原理類似，以U₁單輸入時(shí)為例分析其穩(wěn)態(tài)情況下的工作原理。為方便分析，假設(shè)變換器各元器件均為理想器件，且電路工作在CCM模式。圖2為其拓?fù)溟_關(guān)模態(tài)的等效電路。

    在單電源U₁輸入時(shí)，1個(gè)開關(guān)周期T_s內(nèi)，拓?fù)溆?種工作模態(tài)：模態(tài)1：Q₁、Q₂關(guān)斷，U₁—L₁—C₁—D₁—負(fù)載—D₂—L₄回路、L₃—D₁—C₃回路、L₄—D₂—C₄回路同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)電源U₁與電感L₁向電容C₁、C₃與負(fù)載供電。模態(tài)2：Q₁導(dǎo)通D₂關(guān)斷，U₁—L₁—Q₁回路、C₁—Q₁—L₃回路、C₃—負(fù)載—D₂—L₄回路、L₄—D₂—C₄回路同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)電容C₃、C₄向負(fù)載供電，電感L₁、L₃電流增大電感儲(chǔ)能。由上分析可知，電感L₄在整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)并未受到電源激勵(lì)，它只是作為回路通道，同時(shí)由于二極管D₂具有0.7 V的導(dǎo)通壓降，因此穩(wěn)態(tài)后U_o2=-0.7 V。 

    對(duì)電感L₁、L₂應(yīng)用伏秒平衡原理可得：

其中，D₁為開關(guān)管Q₁開通占空比，U_o2、U_o1分別為電容C₃、C₄兩端電壓，由此可知拓?fù)涔ぷ髟趩屋斎霠顟B(tài)時(shí)，電壓增益與傳統(tǒng)Sepic變換器相同。

1.2 雙輸入狀態(tài)的工作原理

    當(dāng)有2個(gè)輸入源時(shí)即工作在雙輸入狀態(tài)時(shí)，為方便本文分析，假設(shè)變換器各元器件均為理想器件，且電路工作在CCM模式。雙輸入時(shí)電路拓?fù)浯嬖?種開關(guān)模式，即在Q₁、Q₂開關(guān)周期與占空比相同或不同的情況下，變換器可能4種工作模式同時(shí)存在，也可能部分存在。設(shè)在不同開關(guān)周期內(nèi)變換器出現(xiàn)4種工作模式，圖3為電路工作模式。

    工作模式I：設(shè)工作時(shí)間在[t₀，t₁]，圖3模態(tài)1為其等效電路圖。Q₁、Q₂同時(shí)開通，電源U₁與U₂分別對(duì)升壓電感L₁、L₂充電，L₁、L₂電流線性增加，電容C₁、C₂分別向電感L₃、L₄充電，L₁、L₂電流線性增加，串聯(lián)電容C₃、C₄向負(fù)載供電。此時(shí)有：

    工作模式IV：設(shè)工作時(shí)間在[t₃，t₄]，圖3模態(tài)4為其等效電路圖。Q₁、Q₂同時(shí)關(guān)斷，電源U₁與電感L₁向電容C₁充電，電源U₂與L₂向電容C₂充電，電感L₃、L₄分別向電容C₃、C₄充電，C₃、C₄共同向負(fù)載供電。此時(shí)有：

    綜上分析可得，所提拓?fù)湓陔p電源輸入時(shí)，U₁、U₂工作電路具有獨(dú)立性，在Q₁、Q₂開關(guān)周期與占空比相同或不同時(shí)，其變換器的運(yùn)行狀態(tài)是1~4種模式中任意幾種模式有規(guī)律的組合，且不管工作在何種模態(tài)下，輸出電壓U_out恒為U_o1+U_o2。當(dāng)U₁、U₂兩個(gè)輸入源同時(shí)向負(fù)載R供電時(shí)，拓?fù)涞妮敵鲭妷菏?個(gè)傳統(tǒng)Sepic變換器輸出電壓的串聯(lián)。當(dāng)Q₁、Q₂開通時(shí)刻一樣而開關(guān)周期與導(dǎo)通時(shí)間相同或不同時(shí)，電路中會(huì)出現(xiàn)多種工作模態(tài)，詳見表1。

    根據(jù)文獻(xiàn)[2]闡述可知，為減小電路中電磁干擾，Q₁、Q₂開關(guān)管應(yīng)工作在相同開關(guān)頻率下，此時(shí)它們可工作在交錯(cuò)控制狀態(tài)或同時(shí)開通狀態(tài)。當(dāng)在同時(shí)開通狀態(tài)時(shí)由表1可知工作模式只有I、IV。當(dāng)工作在交錯(cuò)控制狀態(tài)時(shí)：本文以變換器工作狀態(tài)依次是I、II、I、III為例加以分析，圖4為工作在交錯(cuò)控制狀態(tài)時(shí)電路主要工作波形圖。

2 輸入/輸出的數(shù)量關(guān)系

    對(duì)L₁、L₂、L₃、L₄應(yīng)用電感的伏秒平衡原理，可得下式：

    與文獻(xiàn)[1]～[5]對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文所提的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不僅繼承了上述文獻(xiàn)所具有的優(yōu)點(diǎn)，即提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性，實(shí)現(xiàn)了能源的綜合利用，同時(shí)可彌補(bǔ)文獻(xiàn)[1]～[5]只能升壓或降壓的不足，且進(jìn)一步提高了電壓增益。綜合上述分析，本拓?fù)洳粌H可工作在單輸入，亦可工作在雙輸入狀態(tài)，且都具有良好的性能，可根據(jù)不同場(chǎng)合結(jié)合使用。

3 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

    為驗(yàn)證所提拓?fù)淅碚摲治龅恼_性，在實(shí)驗(yàn)室利用MATLAB對(duì)交錯(cuò)控制狀態(tài)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：U₁=50 V，U₂=60 V；L₁=L₂=L₃=L₄=2 mH；C₁=C₂=10 μF，C₃=C₄=100 μF；負(fù)載R=300 Ω；f₂=f₁=10 kHz且Q₂延遲5 μs導(dǎo)通；D₂=D₁=0.6。

    在MATLAB/Simulink中建立雙輸入Sepic變換器開環(huán)控制仿真電路模型，仿真波形如圖5所示，圖5(a)為Q₁、Q₂開關(guān)波形；圖5(b)為電感L₁、L₂電流波形圖；圖5(c)、圖5(d)分別為電路穩(wěn)定后電感L₃、L₄兩端電壓波形；圖5(e)為電壓U_o1、U_o2、U_out輸出波形。

4 結(jié)論

    本文提出了一種新型雙輸入Sepic變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電壓增益高、開關(guān)器件電壓應(yīng)力低等優(yōu)點(diǎn)，且變換器可工作在單電源和雙電源輸入兩種不同狀態(tài)。基于對(duì)工作原理的分析，推導(dǎo)出拓?fù)涞妮斎?輸出關(guān)系，并通過MATLAB仿真驗(yàn)證了理論分析的正確性。同時(shí)由于所提拓?fù)渚哂猩祲?、輸?輸出同級(jí)性的特點(diǎn)，因而可用于分布式風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)中，避免獨(dú)立光伏或風(fēng)力發(fā)電供電不足的缺點(diǎn)。

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作者信息：

蘭志勇，陳禮俊，焦  石，李  理，王  波，徐  琛

(湘潭大學(xué) 信息工程學(xué)院，湖南 湘潭411105)