基于双输入_双输出变换器的三端口变换器拓扑_吴红飞

第31卷第27期中国电机工程学报V ol.31 No.27 Sep.25, 2011

2011年9月25日Proceedings of the CSEE ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 45 文章编号：0258-8013 (2011) 27-0045-07 中图分类号：TM46 文献标识码：A 学科分类号：470⋅40

基于双输入/双输出变换器的三端口变换器拓扑

吴红飞，夏炎冰，邢岩

(南京航空航天大学航空电源航空科技重点实验室，江苏省南京市 210016)

Three-port Converter Topologies Based on Dual-input/Dual-output Converter

WU Hongfei, XIA Yanbing, XING Yan

(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, Jiangsu Province, China)

ABSTRACT: The topology mechanism of a three-port converter is discovered in the light of power flow, and a novel topology derivation theory for generation of combined and integrated three-port converter topologies was proposed based on the integration of dual-input and dual-output topologies. The generation principle and methods for a series of new topologies were given. And the three-port converter topologies derived from basic Buck, Boost and Buck/Boost converters were presented. Operational mode analysis is conducted, and experimental results verify the analysis.

KEY WORDS: three-port converter; dual-input converter; dual-output converter; topology; stand alone renewable power system

摘要：从端口功率流动的角度揭示三端口变换器的拓扑构成和运行机理，由此提出组合式三端口和集成三端口变换器拓扑族的系统生成方法。从构造三端口变换器所需功率流为切入点，与双输入变换器和双输出变换器比较，并构造新的可控功率通路，得到了一系列三端口变换器拓扑并给出拓扑生成方法。给出由典型的Buck、Boost和Buck/Boost生成三端口变换器的拓扑实例，进行分析和实验验证。

关键词：三端口变换器；双输入变换器；双输出变换器；拓扑；新能源独立发电系统

0 引言

能源危机和环境污染问题日益严重，太阳能、风能等新能源发电技术正成为研究的热点[1-3]。太阳能、风能等新能源发电系统存在电力供应不稳定、不连续和随环境条件变化等缺点，独立运行的新能

基金项目：国家自然科学基金项目(51077071)；江苏省科技成果转化基金(BA2008001)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51077071); Grant from the Transformation of Scientific and Technological Achievements in Jiangsu Province(BA2008001)．源发电系统必须配备蓄电池等储能环节来储存和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和平稳性的要求[4-6]。

典型的包含储能环节的新能源独立发电系统由单向DC/DC和双向DC/DC变换器构成，其变换器分散控制，体积重量大；系统中存在多级功率变换，效率较低。三端口变换器(three-port converter，TPC)是随着新能源发电技术的发展而提出的一类新型变换器，通过一个变换器可以同时实现输入源、蓄电池和负载的功率管理和控制，具有高集成度、高效率、高可靠性、低体积成本等优点[7-15]。TPC的概念从提出至今获得了国内外学者的极大关注，对其拓扑、调制和功率管理等关键技术进行研究[7-12]，并将其应用于燃料电池发电系统[7]、独立光伏发电系统[8]、混合储能系统[9]、混合动力汽车[10]、航天卫星供电系统[13]等领域。TPC拓扑可分为隔离和非隔离两类，目前对隔离TPC的研究较多，主要集中在拓扑和控制技术两个方面[7-11]，然而，在不要求电气隔离的应用场合，非隔离TPC由于拓扑结构简单、无需使用变压器、变换效率高等特点而更具有优势。文献[15]系统研究了TPC拓扑的构成方法，隔离TPC一般通过多个变压器绕组耦合的方式构成，非隔离TPC则基于共同直流母线耦合的方式构成。基于公共直流母线的非隔离TPC与图1所示的电路结构相同[15]，但是该种方式构成的变换器并不是真正意义上的TPC，不具备高集成度、高效率、低体积成本等特性。

通过分析归纳一类变换器拓扑的共性，从而研究并找出其拓扑构造规律，得到统一的、可推广性的拓扑推演方法，是电力电子变换器拓扑系统研究

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的重要方法。本文从分析TPC 中各端口功率流及其控制为切入点，讨论TPC 的拓扑构成机理，在充分比较研究现有三端口变换器、双输入和双输出变换器拓扑的提出思路和工作原理的基础上，提出基于双输入变换器(dual-input converter ，DIC)和双输出变换器(dual-output converter ，DOC)的TPC 拓扑生成思路和方法。文中的分析以非隔离TPC 为例，其分析思路和方法同样适用于隔离TPC 拓扑的研究。

1 TPC 拓扑的推演思想

典型的包含储能环节的新能源独立发电系统的结构如图1所示(图1中主电源、蓄电池和负载的符号适用于本文所有的图)。

(a) 结构1

(b) 结构2

图1 包含储能环节的独立新能源发电系统的典型结构 Fig. 1 Typical structure of stand-alone renewable

power system with storage element

采用TPC 的新能源独立发电系统的电路结构和功率流可以等效如图2所示，其中u m 、u b 及u o 分别为主电源、蓄电池和负载端的电压。

o

u

(a) 系统结构

(b) 功率流向图

图2 TPC 的系统结构和功率流向图

Fig. 2 System structure and power flow diagram of TPC

如图2(a)所示，TPC 与主电源、蓄电池及负载同时相连，实现主电源、蓄电池和负载的功率管理：主电源功率p m 大于负载功率p o 时，多余的能量向蓄电池充电；p m

TPC 对负载表现为DIC ，如图3(a)所示；对于主电源端，蓄电池和负载都是其输出，因此TPC 对主电源表现为DOC ，如图3(b)

所示。

TPC 中共存在3条功率流，而DOC 和DIC 中

仅存在两条功率流，从系统功率流的角度，不管采用何种方式，只要在DOC 的基础上补充主电源到

蓄电池方向的功率流就可以构造出TPC ；同理，只

(a) 负载端

图3 TPC 对于不同端口的表现形式

Fig. 3 Different characteristics of TPC for different ports

要在DIC 的基础上补充蓄电池到负载方向的功率流就可以构造出TPC 。

为了保证系统能够根据主电源和负载的功率状态工作在不同的模式，在构造TPC 时，需要保证系统各个方向的功率都是受控的。

2 基于DIC 的组合式TPC 拓扑

2.1 拓扑生成方法

DIC 中存在的两条功率流与TPC 一致，为了构造TPC ，需要引入一条主电源到蓄电池的可控功率通路：将DIC 与普通单输入单输出变换器(single

input single output converter ，SISOC)组合构造出TPC 所需的功率流即可构造出TPC 拓扑，其中DIC 的两个输入端分别与主电源和蓄电池相连，输出端与负载相连，SISOC 输入与主电源相连，输出与蓄电池相连，根据主电源和蓄电池的电压大小及连接关系，SISOC 可以采用Buck 、Boost 或Buck/Boost 变换器。

2.2 TPC 拓扑实例

由Buck 、Boost 和Buck/Boost DIC 生成的第一类TPC 拓扑实例如图4所示。

图4所示的由DIC 生成的

TPC 拓扑其特点是：主电源和蓄电池不能同时向负载供电，当主电源和

(e) Buck DIC 与Buck

图4 第一类TPC 拓扑实例 Fig. 4 Examples of the TPC topologies