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近年來，環(huán)境危機(jī)日益嚴(yán)重，太陽能、風(fēng)能等可再生能源受到越來越廣泛的關(guān)注。然而可再生能源受外界環(huán)境影響，存在供電不穩(wěn)定、不連續(xù)等缺點(diǎn)，因此需要配備了儲能設(shè)備的可再生能源供電系統(tǒng)來調(diào)節(jié)功率，實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的供電。

傳統(tǒng)可再生能源供電系統(tǒng)需要一個(gè)單向DC-DC變換器和一個(gè)雙向DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載端的連接，但是該系統(tǒng)存在體積重量大、可靠性差等問題。而基于三端口變換器的獨(dú)立可再生能源供電系統(tǒng)只需一個(gè)三端口變換器即可實(shí)現(xiàn)輸入源、蓄電池和負(fù)載端的功率管理與控制，因此，較傳統(tǒng)可再生能源供電系統(tǒng)而言，其具備高集成度、高效率和低成本等優(yōu)勢。

基于上述優(yōu)勢，三端口變換器獲得了廣泛關(guān)注與研究。三端口變換器可分為隔離型和非隔離型。隔離型三端口變換器通過高頻變壓器來實(shí)現(xiàn)端口間的功率傳輸。根據(jù)端口間的隔離程度，非隔離型可以分為完全隔離型和部分隔離型。

傳統(tǒng)的完全隔離型三端口變換器可由三繞組變壓器和半橋或全橋結(jié)構(gòu)組合而成。文獻(xiàn)[7]在全橋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上加入了串聯(lián)諧振單元，有效提升了變換器的軟開關(guān)性能。完全隔離型三端口變換器三個(gè)端口間均實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，安全性較高。但是此類變換器需要大量功率器件，且存在控制復(fù)雜的問題。

文獻(xiàn)[8-10]中提出的部分隔離型三端口變換器有效的解決了上述問題，此類變換器有兩個(gè)端口之間不存在電氣隔離，安全性能有所下降。

由于變壓器的使用，隔離型變換器大多都存在體積大、效率低等缺點(diǎn)。因此，在不需要電氣隔離的場合，高效率、高功率密度的非隔離型三端口變換器更有優(yōu)勢。文獻(xiàn)[11]通過組合傳統(tǒng)Buck、Boost或Buck/Boost電路獲得三端口變換器。文獻(xiàn)[12]則在已有的雙輸入或雙輸出變換器基礎(chǔ)上增加一條功率路徑，以獲得非隔離型三端口變換器。然而上述變換器由于增益有限，并不適用于低壓輸入高壓輸出的場合。

如圖1所示，在光伏發(fā)電中，光伏電池和蓄電池均為低壓源，在接入微網(wǎng)直流側(cè)前需要經(jīng)過高增益變換器提升電壓?；诖?，文獻(xiàn)[15,16]提出了基于耦合電感的非隔離高增益三端口變換器，此類變換器通過增加耦合電感的匝比可有效提升變換器的增益。文獻(xiàn)[17]中則引入了開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，通過在兩個(gè)低壓輸入端嵌入開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了變換器的高增益輸出。

圖1 高增益三端口變換器在微網(wǎng)中的運(yùn)用

鑒于可再生能源應(yīng)用對多端口功率變換和高增益輸出能力提出的新要求，本文提出了一種基于開關(guān)電容電路的非隔離型三端口變換器，通過引入一組開關(guān)電容結(jié)構(gòu)即實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)低壓輸入端到輸出端的高電壓增益。比較而言，該變換器結(jié)構(gòu)簡單，各端口之間電壓可控性強(qiáng)，并且通過簡單的調(diào)制策略即可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的輸出。

圖13 高增益非隔離三端口變換器

結(jié)論

本文提出一種具備高增益的非隔離三端口變換器，變換器的三個(gè)端口之間均實(shí)現(xiàn)了電壓的調(diào)控和功率的流通，因此該變換器適用于光伏電池、蓄電池和負(fù)載所構(gòu)成的獨(dú)立可再生能源供電系統(tǒng)。變換器中引入開關(guān)電容結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了變換器的高壓輸出，通過改變倍壓電容的數(shù)量，可以有效調(diào)節(jié)變換器的升壓范圍。變換器實(shí)現(xiàn)了器件的共用，具備了體積小、功率密度高以及成本低等優(yōu)勢。