外文翻譯---多輸入DC-DC變換器的特征

1、.附錄4 中文譯文多輸入DC-DC變換器的特征摘要-在零排放電力發(fā)電系統(tǒng)中，能得到多個(gè)輸入源包括太陽能發(fā)電陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等等的自動(dòng)調(diào)整輸出式多輸入DC-DC變換器很有用。一種新的DC-DC變換器被提出和分析。最終靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特征在理論上被探索出來，結(jié)果也被試驗(yàn)所驗(yàn)證。關(guān)鍵詞：穩(wěn)態(tài)界限，潔凈能源，DC-DC變換器，多輸入，太陽能發(fā)電陣列1引言最近零排放發(fā)電系統(tǒng)被迅速的開發(fā)出來來開發(fā)潔凈能源，例如太陽能發(fā)電陣列、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃料電池等等。此時(shí)，如圖1所示的多輸入DC-DC變換器12在聯(lián)合多個(gè)不同電壓和功率的輸入源并且對(duì)負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整輸出電壓時(shí)很有用。例如，在有一個(gè)工業(yè)交流電線的太陽能發(fā)

2、電陣列供電系統(tǒng)中，通過從工業(yè)交流電線饋回足夠的能量，發(fā)電陣列的最大功率點(diǎn)能夠容易地被跟蹤，同時(shí)輸出電壓能夠容易地被控制，即使負(fù)載發(fā)生變化。本文的目的在于提出一個(gè)新的多輸入DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)零排放電力發(fā)電系統(tǒng)。尤其是在理論上清晰地分析了雙輸入的Buck-boost型變換器的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特?fù)Q證，并且被實(shí)驗(yàn)論證。2電路構(gòu)成和工作原理圖2(a)和(b)所示為多輸入DC-DC變換器的電路構(gòu)成。圖2(a)基本由Buck-boost型DC-DC變換器構(gòu)成，其中多個(gè)輸入的線圈被儲(chǔ)能電感L磁耦合在一起。通過磁耦合隔離變壓器T，得到正激型的多輸入DC-DC變換器，如圖2(b)所示。在本文中，因?yàn)槎噍斎胱儞Q器被一

3、般意義上的討論所驗(yàn)證是非常復(fù)雜的，并且Buck-boost型多輸入變換器的結(jié)構(gòu)比較簡單，所以Buck-boost型雙輸入變換器使用如圖3(a)中的耦合電抗L。在圖中，兩路輸入E1和E2是兩個(gè)電源的輸入電壓，N1和N2是電抗器兩個(gè)輸入線圈的匝數(shù)比，電抗器輸出線圈的匝數(shù)是正常切趨于統(tǒng)一的。S1和S2是開端，D、D1和D2是二極管，C是輸出濾波電容，R是負(fù)載，eo是輸出電壓。如果太陽能發(fā)電整列和商業(yè)交流線被用于輸入源，那么電路結(jié)構(gòu)就如圖3(b)所示。太陽能電池Es被用作追蹤，當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生改變時(shí)，電流傳感器Rs被用作追蹤太陽能發(fā)電陣列3的最大功率點(diǎn)，同時(shí)輸入電流值來獲得太陽能發(fā)電陣列的最大輸出功率。在本

4、例中，商業(yè)交流線被用來控制輸出電壓。假如開關(guān)和二極管有理想中的特征，那么電流如圖3(a)中所示，可以根據(jù)開關(guān)S1、S2和二極管D的開關(guān)組合分成4種狀態(tài)，如表(I)。變換器就是通過組合這4中狀態(tài)來決定運(yùn)作情況，因而被分成三種主要模式，如表(II)所示。每個(gè)主要的模態(tài)包含一個(gè)兩種狀態(tài)的序列，通過電感電流連續(xù)和斷續(xù)來區(qū)分(參見附錄I)。圖(4)所示為波形和驅(qū)動(dòng)信號(hào)，Ts是開關(guān)周期，Ton1和Ton2是S1和S2各自的開通時(shí)間。圖4(b)所示Toff=Ts-Ton1-Ton2。模態(tài)I出現(xiàn)在相對(duì)較輕的負(fù)載情況下，在此時(shí)太陽能發(fā)電陣列的發(fā)電功率比負(fù)載功率要大，太陽能發(fā)電陣列的最大功率點(diǎn)無法被追蹤到。通常如

5、果電池系統(tǒng)被用作儲(chǔ)存太陽能發(fā)電陣列的剩余電能，它的最大功率點(diǎn)也許能被追蹤到。在模態(tài)II中，S1用做控制E1的最佳功率點(diǎn)，S2用來控制輸出電壓Eo。模態(tài)III是太陽能發(fā)電陣列不工作的情況，或者因?yàn)楣鈴?qiáng)太弱使E1=0的情況，如圖3(b)所示。在模態(tài)I和模態(tài)III中，如果輸入源是E1或者E2，被提出的雙輸入Buck-boost型DC-DC變換器依照常規(guī)的單輸入變換器來運(yùn)作。然而，我們主要討論圖4(b)中的模態(tài)II，兩個(gè)輸入源都要被考慮到。3靜動(dòng)態(tài)特征的分析A.等效電路模型在討論雙輸入DC-DC變換器之前，如圖3(a)所示，先假設(shè)下列條件成立。1)開關(guān)S1和S2有內(nèi)阻rS1和rS2，二極管D、D1和D

6、2分別有內(nèi)阻rD，rD1和rD2。2)S1、S2和D的開關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間遠(yuǎn)小于導(dǎo)通時(shí)間Ton1、Ton2和關(guān)斷時(shí)間Toff，因此可以被忽略。3)儲(chǔ)能電抗L有理想的磁性能并且因此線圈沒有產(chǎn)生漏磁通。4)儲(chǔ)能電抗L有足夠大的電感，能產(chǎn)生足夠大的磁動(dòng)勢(shì)(MMF)，也就是說能保持變換器電抗電流連續(xù)如表II中所示?？紤]到如上假設(shè)，三種狀態(tài)的等效電路模型3(除了表I中的狀態(tài)4)，都在圖5中。在圖5中，通過相同電路拓?fù)涞牡刃щ娐返淖儞Q器用來代表雙輸入DC-DC變換器。輸入電壓E1和E2被電抗L的兩個(gè)初級(jí)線圈匝數(shù)N1和N2所標(biāo)準(zhǔn)化，結(jié)果就是被變成E1/N1和E2/N2。S1和S2各自的通態(tài)和斷態(tài)被匝數(shù)比為1:1和1

7、:0的理想變壓器所替代。相似地，二極管D的通態(tài)和斷態(tài)被匝數(shù)比為1:1和1:0的理想變壓器所替代。在表I中的狀態(tài)1中，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，D關(guān)斷。在這種狀態(tài)下，從E1/N1而來的電流N1I1流過電抗L的初級(jí)線圈N1如圖5(a)所示。在狀態(tài)2中，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，D關(guān)斷，從E2/N2而來的電流N2I2流過L的初級(jí)線圈N2，如圖5(b)所示。在狀態(tài)3中，S1關(guān)斷，S2關(guān)斷，D導(dǎo)通，因此電流Io從L的次級(jí)線圈流向并聯(lián)了輸出電容C的負(fù)載R。r1、r2和ro有下式：r1=rE1+Rs+rS1+rD1+rL1 (1)r2=rE2+rS2+rD2+rL2 (2)ro=rD+rLo (3)式中 rE1,rE2

8、電源E1、E2的內(nèi)阻； Rs串聯(lián)電流感應(yīng)器電阻； rL1,rL2,rLo電抗L的兩個(gè)輸入線圈和一個(gè)輸出線圈的內(nèi)阻。通過圖5中的等效電路模型，連續(xù)等效電路模型4在一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的驅(qū)動(dòng)見圖(6)(參見附錄2)，r為等效內(nèi)部損耗電阻，如下式： (4)B.靜態(tài)特征去掉圖6 中連續(xù)等效電路模型中的理想變壓器，考慮到它的穩(wěn)定狀態(tài)，圖3(a)中雙輸入DC-DC變換器連續(xù)的DC平均模型的驅(qū)動(dòng)如圖7(a)所示。從圖7(a)中可以看出，穩(wěn)態(tài)特征由下式給出： (5) (6) (7)式中 Io負(fù)載電流； N1I1、N2I2經(jīng)過匝數(shù)比變換的輸入電流。C.動(dòng)態(tài)特征在多輸入DC-DC變換器中，如果變換器由Buck-bo

9、ost型電路構(gòu)成，那么電流很有可能不穩(wěn)定。因此我們將會(huì)分析穩(wěn)定的臨界點(diǎn)。去掉圖6中的理想變壓器，考慮到在平衡點(diǎn)發(fā)生小的交流波動(dòng)，雙輸入DC-DC變換器的交流平均模型的驅(qū)動(dòng)如圖7(b)所示。在本圖中，Ton1、Ton2、e1、e2、eo和R各自是開通時(shí)間Ton1、Ton2，輸入電壓E1、E2，輸出電壓eo，和負(fù)載電阻R的小的交流波動(dòng)。從圖7(b)可以看出，轉(zhuǎn)移函數(shù)代表雙輸入DC-DC變換器可以被圖8里的信號(hào)所驅(qū)動(dòng)。在本圖中，HPC和HPV是圖3(b)中控制器#1的直流電流增益和控制器#2的直流電壓增益。Ton=Ton1+Ton2。(N1i1)、(N1ir1)和ero各自是輸入電流N1I1的交流波

10、動(dòng)、基準(zhǔn)輸入電流N1Ir1的交流波動(dòng)和基準(zhǔn)輸出電壓Ero的交流波動(dòng)。Ton/Ts=-HPV(eo-ero)并且Ton1/Ts=-HPC(N1i1-N1ir1)。根據(jù)勞斯赫爾維茨判據(jù)，根據(jù)穩(wěn)定條件確定下列關(guān)系： (8)在式(8)中，r*由下式給出： (9)其中G由下式給出： (10)G代表E1和E2正?；妮斎腚妷罕?。式(8)是常規(guī)的單輸入源Buck-boost型DC-DC變換器(如果r*是它的等效內(nèi)部損耗電阻)的穩(wěn)定條件。4實(shí)驗(yàn)及討論圖9(a)是輸出電壓Eo隨負(fù)載電流Io的控制特征。在本圖中，實(shí)線和符號(hào)各自表示理論值和實(shí)驗(yàn)測(cè)量值，圖9(b)里輸入電流N1I1和N2I2隨Io的變化。在本圖中，符

11、號(hào)和表示N1I1和N2I2的實(shí)驗(yàn)值，實(shí)線代表的是理論值。模式I和模式II分別在虛線左右兩邊的區(qū)域內(nèi)。在模態(tài)I和模態(tài)II的臨界線上，Ton2等于0，因此Ton1=Ts-Toff?？紤]到(5)(6)(7)以及Ton1=Ts-Toff，在模態(tài)I和模態(tài)II的臨界上負(fù)載電流Io*由下式得出： (11)在輕載條件下，工作在模態(tài)I下的雙輸入變換器的輸出電流Io由圖3中的太陽能發(fā)電陣列按圖9(b)里的曲線提供。在模態(tài)I下，N1I1正比于Io如圖9(b)所示。當(dāng)Io大于Io*時(shí)，變換器工作在模態(tài)II，在太陽能發(fā)電陣列的最大功率跟蹤下，輸入電流N1I1能夠被限制在跟蹤在太陽能發(fā)電陣列E1的最優(yōu)功率點(diǎn)附近，負(fù)載功率

12、的短缺由E2的輸入電流N2I2來提供。如圖9所示，計(jì)算值和實(shí)際值基本相同，輸出電壓Eo在模態(tài)I和模態(tài)II下都很好的被控制。圖10(a)是關(guān)于圖3(b)中#2控制器電壓增益HPV穩(wěn)定界限。在圖10中，實(shí)線表示通過正?；妮斎腚妷罕菺根據(jù)式(8)-(10)計(jì)算出的穩(wěn)定理論邊界。在圖10(a)中，、和各自代表當(dāng)G=0.5、0.9、1.0和1.5時(shí)在穩(wěn)定區(qū)域測(cè)量出來的點(diǎn)。、和各自代表當(dāng)G=0.5、0.9、1.0和1.5時(shí)在不穩(wěn)定區(qū)域測(cè)量出來的點(diǎn)。理論值和實(shí)驗(yàn)值基本相同。G增大則HPV也增大。在本圖中，圖3(b)所示的控制器#1的直流電流增益HPC等譯30A-1。特別地，當(dāng)HPC等于0時(shí)，有關(guān)HPC的穩(wěn)

13、定的界限如圖10(b)所示。在圖中，和分別表示穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)G=0.75和G=0.5的測(cè)量點(diǎn)。特別需要指出的重點(diǎn)是，如果G小于單位值并且輸出電壓沒有反饋，那么雙輸入DC-DC變換器的工作將變得不穩(wěn)定，并且穩(wěn)定區(qū)域隨著G的增大而增大。當(dāng)G大于單位值時(shí)，電路始終工作在穩(wěn)定狀態(tài)。5總結(jié)新型多輸入DC-DC變換器被提出要能夠結(jié)合并采集多種清潔能源。而且，使用磁耦合電抗的雙輸入DC-DC變換器已經(jīng)被理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果就是下列觀點(diǎn)：1)在雙輸入DC-DC變換器系統(tǒng)中，當(dāng)太陽能發(fā)電陣列和商業(yè)交流線被用作兩個(gè)輸入源時(shí)，通過控制從商業(yè)交流線的功率來控制輸出電壓。2)特別是驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)特征及穩(wěn)定的邊界。如果電路參

14、數(shù)被充分設(shè)計(jì)，那么提出的變換器是十分穩(wěn)定和有用的。我們將在不久的未來從雙輸入到多輸入、還有正激型變換器來拓展此項(xiàng)分析。附錄I 動(dòng)作狀態(tài)和工作模態(tài)根據(jù)開關(guān)S1、S2和二極管D的開關(guān)狀態(tài)總共有八種工作狀態(tài)。然而，考慮到電路的理論，除了表I中所示的四種狀態(tài)外的另外四種狀態(tài)時(shí)無用的。在狀態(tài)1中，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，D未導(dǎo)通。在這個(gè)狀態(tài)中，電流I1從E1中通過Rs、D1和S1流向電抗L的線圈N1，磁能儲(chǔ)存在電抗L中，如圖3(b)所示。在狀態(tài)2中，S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，D未導(dǎo)通。在這個(gè)狀態(tài)中，電流I2從E2中通過D2和S2流向電抗L的線圈N2，磁能儲(chǔ)存在電抗L中。在狀態(tài)3中，S1關(guān)斷，S2關(guān)斷，D導(dǎo)通。在這個(gè)狀態(tài)中，電流從L的次級(jí)線圈中經(jīng)過二極管D流向并聯(lián)了輸出電容C的負(fù)載R，狀態(tài)1或狀態(tài)2中儲(chǔ)存在L中的磁能此時(shí)轉(zhuǎn)移向R。在狀態(tài)4中，S1關(guān)斷，S2關(guān)斷，D未導(dǎo)通。在這個(gè)狀態(tài)中，I1和I2還有次級(jí)線圈中沒有電流，放電電流從C流向R。通過組合這四種狀態(tài)能夠組合出六種工作模態(tài)?？紤]到電能從E1和E2流向負(fù)載，電路的主要工作模態(tài)只具有三種。電能只能從E1或E2經(jīng)過模態(tài)I或模態(tài)III流向負(fù)載。在模態(tài)II中，能量同時(shí)從E1和E2中流向負(fù)載。附錄II 圖6中的連續(xù)等效電路模型在一個(gè)開關(guān)周期Ts中的變化過程開始由于圖5中的理想變壓器，我們將狀態(tài)1的匝