0 引言

    能源是整個(gè)人類社會發(fā)展與進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)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(yán)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(jī)，實(shí)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(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],。

    近年來國內(nèi)外學(xué)者對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://forexkbc.com/tags/雙輸入" title="雙輸入" target="_blank">雙輸入拓?fù)溲芯孔顬槿?。如：文獻(xiàn)[3]、[5]各自提出了一種雙輸入Buck變換器,，由文獻(xiàn)[2]對其總結(jié)可知,，所提變換器雖具有結(jié)構(gòu)簡單,、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),?；趯ぷ髟淼姆治觯茖?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祲骸⑤斎?輸出同級性的特點(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),。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊東升，楊敏,，阮新波.雙輸入Buck變換器的單周期控制[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2012，27(1)：162-171.

[2] 陸治國,，劉捷豐,，鄭路遙，等.新型雙輸入Boost變換器[J].電力自動化設(shè)備,，2010,，30(9)：42-45.

[3] 李艷，阮新波,，楊東升.一種新的雙輸入直流變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2008，23(6)：121-125.

[4] 孫鵬菊,，李正宇,，張冀，等.一種基于倍壓單元的雙輸入高增益直流變換器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),，2016,，36(17)：4694-4701.

[5] YALAMANCHILI K P，F(xiàn)ERDOWSI M,，CORZINE K.New double input DC-DC converters for automotive applications[C].Vehicle Power and Propulsion Conference,，2006.VPPC′6.IEEE.IEEE，2006：1-6.

[6] 李艷,，阮新波,，楊東升，等.雙輸入直流變換器的建模與閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2010,，25(11)：102-110.

[7] 陳劍飛，侯世英,，孫韜,，等.基于開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)組的雙輸入升壓變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015,，30(15)：118-126.

[8] 廖志凌,，徐艷杰，施衛(wèi)東.風(fēng)光互補(bǔ)雙輸入Buck-Boost直流變換器的研究[J].電測與儀表,，2014(2)：63-66.

[9] 張君君,，孫凱，吳紅飛，等.一種耦合電感雙輸入升降壓變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),，2015,，30(1)：143-149.

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)