0 引言

    能源是整個人類社會發(fā)展與進步的物質基礎和動力來源,。隨著人類社會的飛速發(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)嚴重影響了社會的可持續(xù)發(fā)展^[1-3],。近十年來新能源作為解決能源危機,，實現(xiàn)人類社會可持續(xù)健康發(fā)展的清潔能源，逐漸成為各國科學家研究的熱點,。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,，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),，不僅可簡化電路結構,、避免獨立供電不穩(wěn)定和不連續(xù)的缺點，同時也可提高分布式發(fā)電系統(tǒng)供電的可靠性^[4-7],。

    近年來國內(nèi)外學者對多輸入直流變換器進行了深入的研究,，并相繼提出了多種多輸入拓撲，尤以雙輸入拓撲研究最為全面,。如：文獻[3],、[5]各自提出了一種雙輸入Buck變換器，由文獻[2]對其總結可知，所提變換器雖具有結構簡單,、開關電壓應力低,，且可實現(xiàn)多種能源輸入等優(yōu)點，但是由于其拓撲的局限性即此拓撲僅是降壓變換器,，電壓增益低,，不能滿足并網(wǎng)逆變器的需要。為此文獻[2],、[7]分別提出來一種新型雙輸入升壓拓撲,，所提拓撲雖彌補了文獻[3]、[5]中拓撲電壓增益低的缺陷,，但依然具有局限性即僅是升壓變換器,，即不能滿足同時需要升降壓的應用場合。為實現(xiàn)雙輸入升降壓,，文獻[8]提出了一種雙輸入Buck-boost變換器,，該拓撲雖能實現(xiàn)電壓升降輸出且電壓增益高，但輸出電壓為負極性的,，因而不滿足分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)的要求,。文獻[9]也提出了一種耦合電感雙輸入升降壓變換器，所提變換器雖能實現(xiàn)分布式發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng),，但拓撲結構與控制策略復雜,，實現(xiàn)難度大。

    為彌補上述變換器的不足,，本文提出一種新型雙輸入Sepic變換器，該變換器具有結構簡單,、升降壓輸入/輸出電壓同極性,、開關電壓應力低，而且可允許多種形式的能源輸入等優(yōu)點,。

1 拓撲結構及工作原理

    新型雙輸入Sepic變換器如圖1所示,，由4個升壓電感L₁、L₂,、L₃,、L₄，2個開關管Q₁,、Q₂,，2個續(xù)流二極管D₁、D₂,，4個升壓電容C₁,、C₂、C₃、C₄及負載R構成,。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

    當直流電源U₁,、U₂分別單輸入時其工作原理與傳統(tǒng)單輸入Sepic變換器的工作原理類似，以U₁單輸入時為例分析其穩(wěn)態(tài)情況下的工作原理,。為方便分析,，假設變換器各元器件均為理想器件，且電路工作在CCM模式,。圖2為其拓撲開關模態(tài)的等效電路,。

    在單電源U₁輸入時，1個開關周期T_s內(nèi),，拓撲有2種工作模態(tài)：模態(tài)1：Q₁,、Q₂關斷，U₁—L₁—C₁—D₁—負載—D₂—L₄回路,、L₃—D₁—C₃回路,、L₄—D₂—C₄回路同時導通，此時電源U₁與電感L₁向電容C₁,、C₃與負載供電,。模態(tài)2：Q₁導通D₂關斷，U₁—L₁—Q₁回路,、C₁—Q₁—L₃回路,、C₃—負載—D₂—L₄回路、L₄—D₂—C₄回路同時導通,，此時電容C₃,、C₄向負載供電，電感L₁,、L₃電流增大電感儲能,。由上分析可知，電感L₄在整個開關周期內(nèi)并未受到電源激勵,，它只是作為回路通道,，同時由于二極管D₂具有0.7 V的導通壓降，因此穩(wěn)態(tài)后U_o2=-0.7 V,。 

    對電感L₁,、L₂應用伏秒平衡原理可得：

其中，D₁為開關管Q₁開通占空比,，U_o2,、U_o1分別為電容C₃,、C₄兩端電壓，由此可知拓撲工作在單輸入狀態(tài)時,，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

    當有2個輸入源時即工作在雙輸入狀態(tài)時，為方便本文分析,，假設變換器各元器件均為理想器件,，且電路工作在CCM模式。雙輸入時電路拓撲存在4種開關模式,，即在Q₁,、Q₂開關周期與占空比相同或不同的情況下，變換器可能4種工作模式同時存在,，也可能部分存在,。設在不同開關周期內(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：設工作時間在[t₀,，t₁]，圖3模態(tài)1為其等效電路圖,。Q₁,、Q₂同時開通，電源U₁與U₂分別對升壓電感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向負載供電。此時有：

    工作模式IV：設工作時間在[t₃,，t₄],，圖3模態(tài)4為其等效電路圖。Q₁,、Q₂同時關斷,，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共同向負載供電,。此時有：

    綜上分析可得，所提拓撲在雙電源輸入時,，U₁,、U₂工作電路具有獨立性，在Q₁,、Q₂開關周期與占空比相同或不同時,，其變換器的運行狀態(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U₁、U₂兩個輸入源同時向負載R供電時,，拓撲的輸出電壓是2個傳統(tǒng)Sepic變換器輸出電壓的串聯(lián),。當Q₁、Q₂開通時刻一樣而開關周期與導通時間相同或不同時,，電路中會出現(xiàn)多種工作模態(tài),，詳見表1。

    根據(jù)文獻[2]闡述可知,，為減小電路中電磁干擾,，Q₁、Q₂開關管應工作在相同開關頻率下,，此時它們可工作在交錯控制狀態(tài)或同時開通狀態(tài),。當在同時開通狀態(tài)時由表1可知工作模式只有I、IV,。當工作在交錯控制狀態(tài)時：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為工作在交錯控制狀態(tài)時電路主要工作波形圖。

2 輸入/輸出的數(shù)量關系

    對L₁,、L₂,、L₃、L₄應用電感的伏秒平衡原理,，可得下式：

    與文獻[1]～[5]對比發(fā)現(xiàn),，本文所提的拓撲結構不僅繼承了上述文獻所具有的優(yōu)點，即提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和靈活性,，實現(xiàn)了能源的綜合利用,，同時可彌補文獻[1]～[5]只能升壓或降壓的不足,，且進一步提高了電壓增益。綜合上述分析,，本拓撲不僅可工作在單輸入,，亦可工作在雙輸入狀態(tài)，且都具有良好的性能,，可根據(jù)不同場合結合使用,。

3 仿真實驗驗證

    為驗證所提拓撲理論分析的正確性，在實驗室利用MATLAB對交錯控制狀態(tài)進行仿真實驗,。實驗數(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；負載R=300 Ω,；f₂=f₁=10 kHz且Q₂延遲5 μs導通,；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 結論

    本文提出了一種新型雙輸入Sepic變換器拓撲結構,，該變換器具有結構簡單,、電壓增益高、開關器件電壓應力低等優(yōu)點,，且變換器可工作在單電源和雙電源輸入兩種不同狀態(tài),。基于對工作原理的分析,，推導出拓撲的輸入/輸出關系，并通過MATLAB仿真驗證了理論分析的正確性,。同時由于所提拓撲具有升降壓,、輸入/輸出同級性的特點,，因而可用于分布式風光互補發(fā)電系統(tǒng)中，避免獨立光伏或風力發(fā)電供電不足的缺點,。

參考文獻

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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 信息工程學院,，湖南 湘潭411105)