[发明专利]一种多单元二极管电容网络和耦合电感高增益直流变换器

说明书

【技术领域】

本发明属于新能源光伏、燃料电池等分布式发电领域，涉及高增益直流变换技术，具体是一种多单元二极管电容网络和耦合电感高增益直流变换器。

【背景技术】

太阳能、燃料电池等绿色能源的开发利用，对于优化我国能源结构，实现经济、环境的可持续发展具有重要的战略意义。和传统的直流电源，如直流发电机、蓄电池特性不同，光伏、燃料电池存在输出电压低且电压跌落明显的特点，其最低、最高电压比可达到1:2，甚至更大，成为新能源发电系统中的诸多技术瓶颈之一。

典型的光伏、燃料电池发电系统分为单级型和两级型两种。单级结构逆变器(DC-AC)只经过一级能量变换，具有电路简单、元器件少、效率高、可靠性高等优点。然而，电压源型逆变器只能实现降压调节。通常电池阵列需要串联以提高电压等级，而串联结构由于部分电池板被云层等外部因素遮蔽，导致输出功率严重损失，电压跌落，可能无法保证变流器输入电压任意时刻大于电网电压峰值，以致系统不能正常工作。同样，若采用多个单体燃料电池串联获得较高的输出电压，可能因某个电池组的失效导致整个电池组无法正常工作。两级型发电结构由前级的升压直流变换器(DC-DC)以及后级逆变器(DC-AC)组成。直流电路将较低的电池电压提升到200V、400V甚至更高的电压等级，使电池组工作在一个宽输出电压范围内。后级逆变器(DC-AC)获得并网或负载所需的交流电。两级结构可以实现分级优化设计和控制，具有更广阔的应用前景，引起普遍重视。

具有升压功能的基本直流变换器，理论上当占空比接近1时，电压增益趋近无穷大。然而，受主电路电感回路中寄生参数和控制器性能影响，即使占空比达到接近于1的极限状态，也很难具有较高的电压增益。二极管在极短的时间内导通，且承受相对较大的电压、电流应力，势必导致严重的开关损耗和EMI问题。此外，高增益应用场合，变换器的强非线性和非最小相位系统特性，使得动态性能明显变差。因此，高增益直流变换技术是实现电力电子变流器宽输入范围电压调节、高效电能变换、高功率密度的重要理论基础，是新能源分布式发电系统亟待解决的关键科学技术问题之一。

耦合电感本质上是具有一定耦合系数的变压器，通过设计原、副边电感的匝数比实现电压调节。然而，完全依靠耦合电感的变压器效应提高电压增益，需要相对较高的匝数比。这样，一方面会增加磁性元件的体积和损耗，另一方面原、副边耦合较差，会影响电压增益的线性度。

利用二极管电容网络获得相对较高的电压增益，减小磁性原件的需求，在高增益应用场合具有明显的效率和功率密度优势。基于二极管电容网络的高增益直流变换器，如图1所示。图1(a)利用二极管的单向导电性巧妙地实现了两个电容的并联充电和串联放电，提高输出电压，(现有文献Ismail E H,AlSaffar M A,Sabzali A J,et al.A Family of Single-Switch PWM Converters With High Step-Up Conversion Ratio[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems,vol.55,no.4,pp.1159-1171,May.2008)。为进一步提高电压增益，可以将多个二极管电容基本电压增益拓展单元进行级联，主电路如图1(b)。图1(a)电路当S＝ON时，两二极管串联放电，当S＝OFF时，两电容并联充电。二极管电容升压单元输出脉冲型方波直流电压。高增益应用场合，输出电流相对值较小，为减小电流纹波和输出电压纹波，需要选取较大的电感值。图1(b)为多单元二极管电容网络高增益直流变换器，当S＝ON时，单元1中的两个电容串联给单元2中的两个电容充电，具有电压源特性的多个电容直接经过电力半导体器件短路充电、放电过程，产生极大的冲击电流，增加了器件损耗。(现有文献“候世英，陈剑飞，孙滔‘基于Switch-Capacitor网络的单开关升压变换器’，电工技术学报，vol.28,no.10,pp.206-216,Oct.2013)。

【发明内容】

本发明的目的在于克服二极管电容升压网络的脉冲型方波输出电压和冲击电流的固有缺陷，结合多绕组耦合电感的特性，提出一种多单元二极管电容网络和耦合电感高增益直流变换器。在二端口二极管电容网络输入端加入具有受控电压源特性的耦合电感副边绕组，避免电容之间直接经过电力半导体器件短路充电、放电过程。各升压单元输出电压互补，实现零输出电压纹波，显著降低LC滤波器的需求。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：