适用于户用直流微网的三端口DCDC变换器拓扑研究

第35卷第2期 2019年3月 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） Journal of Qiqihar University(Natural Science Edition) Vol.35,No.2 March,2019 适用于户用直流微网的三端口 DC/DC变换器拓扑研究 吴明，刘世林 （检测技术与节能装置安徽省重点实验室（安徽工程大学），安徽 芜湖 241000） 摘要：为󰋿解决分布式电源的间歇性，微网被广泛研究和应用。相较于交流微网，直流微网结构简单，有利于提高电网的运行水平。在直流微网中，分布式电源、储能系统和负载往往都通过DC/DC接入直流母线。为󰋿使直流微网的结构更加紧凑、简单，提出一种适用于户用三端口零电流反激式DC/DC变换器，可以有效地实现不同电压等级端口之间的能量互通。通过拓扑分析和仿真研究，验证󰋿拓扑的合理性和有效性，其能够降低开关管关断时两端电压幅值，同时实现开关管的零电流开关，从而降低开关管的开关损耗，提高直流微网的可靠性。 关键词：直流微网；反激式变换器；零电流准谐振开关；开关管电压 中图分类号：TM46 文献标志码：A 文章编号：1007-984X(2019)02-0025-06 微网是一种小型配电系统，它是由分布式发电系、储能系统和负载、监控及保护系统组合而成。相较于交流微网，直流微网具有结构简单，系统效率高，线路损耗低等优点，受到越来越多的研究人员关注，[1-3]因此，在很多应用场合得到广泛研究和应用。在直流微网中，分布式电源、储能装置和负载等往往都通过DC/DC接入直流母线，结构复杂，运行成本高。而多端口DC/DC的接入，能将分布式电源、储能装置和用电负荷连接到一起。通过分布式可再生能源系统与储能装置配合使用，实现不同电压等级端口之间的能量交换，使直流微网的结构更加紧凑、简单。 文献[4-7]分析󰋿三端口DC/DC的拓扑结构，在这种结构中，两个输入端是接不同的分布式电源，而且只能满足两个分布式电源到负载之间的单向流动，不能满足两端能量双向导通。文献[8-9]分别介绍󰋿双输入Buck和 Buck-Boost变换器，这种变换器的结构控制都较为简单，且两个输入端口之间是并联结构，因此便于增加额外的输入端口，但都由于都缺少电气隔离，电路安全可靠性降低。文献[10]提出一种双向多输入变换器拓扑结构，该变换器的分布式电源不仅能给负载供电，还能给另一个输入端储能装置充电，但结构复杂，缺乏软开关技术，开关损耗较大。文献[11]分析󰋿一种直流微网的双输入反激变换器，结构简单，变压器漏感可再次利用，但未考虑电压峰值过大问题。文献[12-13]分析隔离式三端口DC/DC，其优点是系统安全可靠，但一次侧绕组数会增加，变压器制作困难，从而提高直流微网的运行成本。文献[14-15]提出一种复合储能系统DC/DC拓扑结构，这种拓扑结构能加大储能容量，以提高系统运行效率，但未利用分布式能源，运行成本高。 综上所述，本文针对户用直流微网的需求研究一种适用于户用直流微网的三端口DC/DC拓扑结构，详细分析三端口DC/DC在三种模式下的工作状态以及反激式变换器的工作过程，最后，通过仿真验证󰋿结构的合理性和有效性。 1 系统结构 图1为本文研究的三端口DC/DC系统结构图。其中Vin1和Vin2分别接光伏电源(Photovoltaic，PV)和储能装置，R接用电负荷，电容C3是直流母线。此外，Lr与Cr构成零电流准谐振开关，降低开关损耗；变压器T起隔离作用，用以提高系统的可靠性。PV由升压变换器，即PVDC/DC连接到直流母线中，储能装置 收稿日期：2018-09-20 基金项目：安徽省高校优秀青年人才支持计划项目（gxyq2017013）；安徽高校自然科学研究重点项目（KJ2018A0121）。 作者简介：吴明（1994-），男，安徽池州人，在读硕士研究生，主要从事直流微网建模与控制应用研究，751341281@qq.com。 ·26· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） PV DC/DCL1Vin1C1Q12019年 负载 DC/DCD1Q4由双向降压-升压DC/DC变换器，即储能DC/DC连接到直流母线中，最后直流母线经过隔离型双管反激变换器，即负载DC/DC连接到负载。 D8D4D6Q62 直流微网三端口DC/DC变换器工作模 式分析 根据光伏电源和负载的功率关系，将直流微网三端口DC/DC划为三种工作状态：（1）工作状态I：PV功率大于负荷所需功率时，PV给负荷供电和储能充电，即通过PVDC/DC、负载DC/DC给负荷供电，剩余能量通C3CrT C4R储能 DC/DCL2Q3LrD3D2D5Q5D9Q7D7Vin2C2Q2图1 三端口变换器系统结构 过储能DC/DC给储能装置充电。（2）工作状态II：PV功率近似负荷所需功率时，通过PVDC/DC、负载DC/DC单独给用电负荷供电。（3）工作状态III：PV功率小于负荷所需功率时，PV和储能装置分别由PVDC/DC和储能DC/DC连接到直流母线上，再同时由负载DC/DC给用电负荷供电。上述三种工作状态如表1所示，下面详细介绍3种工作状态的工作过程。表1 工作状态 工作状态I PV 储能 放电 充电 工作状态II 工作状态III 15%UNUdc110%UN 母线电压 110%UNUdc15%UN 15%UNUdc15%UN 放电 浮充 放电 放电 （1）工作状态I。PV输出功率高于负载需求，即母线电压大于参考电压，一旦母线电压为105%UN以上，储能系统进入充电状态，若储能系统进入饱满状态，停止充电。此时，PV由PVDC/DCD3，Q2不导通，连接到直流母线上，然后分别由储能DC/DC给储能系统充电，负载DC/DC给负载供电，具体工作状态如图2所示。 （2）工作状态II。PV输出功率满足负载需求，L1Vin1C1Q1D1Q4D8D4D6Q6C3L2Q3D3CrTLr C4RVin2C2Q2D2D5Q5D9Q7D7图2 储能充电状态 为平衡功率模式，此时储能处于浮充状态。为避免储能系统过度频繁的来回切换，直流微网母线电压的微小变换不能引起储能进入工作状态。PV由PVDC/DC接到直流母线上，再给负载供电，此时储能装置不工作，具体工作状态如图3示，虚线部分代表不导通。 （3）工作状态III。PV输出功率低于负载功率需求，即母线电压小于参考电压。一旦母线电压下降到95%UN以下，储能装置从浮充状态进入放电状态，即PV和储能装置同时向负载供电。此时，D2，Q3不导通，PV和储能装置分别由PVDC/DC和储能DC/DC连接到直流母线，再通过负载DC/DC给用电负荷供电，具体工作状态如图4示。 L1Vin1C1Q1D1Q4D8D4D6Q6C3L2Q3D3CrTLr C4RVin2C2Q2D2D5Q5D9Q7D7图3 PV单独供电 3 反激变换器工作过程分析 本文所提出的多端口DC/DC、储能和分布式电源接到直流母线上都是简单的升降压变换器，故本文只对反激变换器的工作过程进行分析。图5给出󰋿该变换器的主要工作波形图。 第2期 适用于户用直流微网的三端口DC/DC变换器拓扑研究 ·27· Q4、Q5L1Vin1C1Q1 D1Q4 D8D4D6Q6t C3L2Q3D3 iLrCrTLrQ7 C4Rt Vin2C2Q2D2D5Q5D9D7icrOt0t0at0bt1t2t图4 光伏储能同时供电 图5 反激电路主要波形图 工作模态I (t0,t0a):如图6所示，在t0时刻之前，开关管Q4，Q5处于关断状态。变压器漏感通过D4和D5流向Vin。在t0时刻，Q4，Q5开通，Lr上的电流从零开始上升，所以Q是零电流开通。同时，Lr和Cr开始谐振工作，变压器原边电流和Lr的电流表达式分别为： Vinittt0 （1） 1LrLm iLrt VinVinsintt0tt0 （2） ZrLrLm式中：Zr为谐振电感和谐振电容的特性阻抗，且ZrLrCr,1LrCr为谐振角频率。 工作模态IIt0a,t1：t0a,t0b期间，导通路线与工作模态I相同，如6所示，在t0a时刻，电容电流减小到零，由于并联变压器，抑制iLr减小，此时iLr还未减小到零，Cr充电达到最大值2Vin。然后Cr开始放电，电容电压开始减小，iLr的电流继续减小。t0b,t1期间，如图7所示，t0b时刻iLr减小为零，此时谐振电感电流开始反向流动。在t0b,t1时刻之间Q4，Q5零电流关断。变压Q4D8D4D6Q6VinCr TC4RLrD5Q5D9Q7D7器原边电流和Lr的电流值分别为: VinV图6 ttt0intt0a （3） i1t LrLmLmVVinViLrtinsintt0tt0intt0a（4） Q4 D8 D4ZrLrLmLm0,t0a D6Q6t2时刻，变压器原边漏感通过D4，工作模态IIIt1,t2：D5传送到电源，此时副方绕组的电流和磁通从最大值开始VinCr TC4R减小，D6，D7开始导通，如图8所示，此时变压器副边电流峰值为 式中：N1，N2分别为原副边的扎数，I1p为原边电流峰值。 LrD5Q5D9Q7D7I2pN1N2I1p （5） 图7 t0b,t1 4 仿真分析 在Simulink中进行系统的仿真，通过仿真分别得出谐振电感的电流值，反激电路左侧电力MOSFET电压值，变压器原边电流，副边电流，负载电压，以及当储能处于充电状态时，两端的电压值，以验证直流微网三端口DC/DC的正确性和该拓扑结构的优点。表2中详细列出PV，储能装置和负载等系统组件的仿真参数。 ·28· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） 2019年 表2 仿真参数 Q4D8D4D6Q6 C4RVinCr T 组件 PV 储能电池 电感 参数 U U 数值 48V 36V 94.8LrD5Q5D9Q7D7 电容 图8 负载 P U 281.9507.810031由系统结构图知，当Q4，Q5导通时，由公式可知变522.3 900W 24V 压器原边电流呈线性上升，此时变压器副边还未导通，副边电流为零；当Q4，Q5开关管关断时，变压器将存储的能量转换为次级侧，初级侧电流值瞬间为零，次级侧电流值瞬间增加到最大值，并开始线性减小，如图9，10所示。 图10 变压器副边电流 在添加谐振电容，谐振电感过后，iLr由于并联一个变压器，该变压器两端电流呈线性上升，因此，iLr的电流峰值都大于谐振电容电流。iLr在负值期间关断开关管，实现零电流关断，降低开关损耗，提高工作效率，通过脉冲信号可得出具体关断时间。如图11所示。 图12 电力MOSFET电压值 当PV单独或者与储能装置同时发电时，通过多端口DC/DC给负载传递能量，根据系统要求，负载处电压应为24V，功率为900W；PV给负载和储能装置同时充电时，根据系统要求，储能装置处电压应为36V。分别如图13，14所示。 第2期 适用于户用直流微网的三端口DC/DC变换器拓扑研究 ·29· ·30· 齐 齐 哈 尔 大 学 学 报（自然科学版） 2019年 Research on the topology of Three-port DC/DC converter intended for household DC Micro-grid WU Ming，LIU Shi-lin (Anhui Provincial Key Laboratory of Detection Technology and Energy Saving Devices (Anhui Polytechnic University), School of Electrical Engineering, Anhui Wuhu 241000, China) Abstract: In order to solve the intermittent nature of distributed power, micro-grids are widely studied and applied. Compared with the AC micro-grid, the DC micro grid has a simple structure, which is conducive to improving the operating level of the grid. In DC micro-grids, distributed power supplies, energy storage devices, and loads are often connected to the DC bus through independent DC/DC. In order to make the structure of the DC micro-grid more compact and simple, a three-port zero-current flyback DC/DC converter suitable for the household DC micro- grid is proposed, which can effectively realize the energy interoperability between ports of different voltage levels. Through its topology analysis and simulation research, the rationality and effectiveness of the proposed topology are verified. It can reduce the voltage amplitude at both ends when the switch is turned off, and realize the zero current turn-on and turn-off of the switch tube, thus reducing the switching loss of the switch tube and improves the operating efficiency of the DC micro grid. Key words: DC micro grid; flyback converter; zero current quasi-resonant switch; switching tube voltage （上接第13页） Image copy and paste tamper detection based on SURF algorithm LIN Kai-si，ZHANG An-dong，XING Bing-suo ( Department of Electrical Engineering, Tongling Vocation and Technical College, Anhui Tongling 244000，China;) Abstract: Because SIFT algorithm detects feature points more slowly, SURF algorithm combines Haar wavelet response and integral image to make it possible to quickly capture the texture features of feature points, which is much faster than SIFT. Therefore, SURF algorithm is used to extract features point. In order to effectively detect the target being pasted multiple times, a feature point matching algorithm called generalized 2NN test is adopted to match the feature points obtained by SURF to find the tampered area. Finally, experiments on various tampering cases show that the SRUF algorithm is effective for image copy-paste tampering. Key words: copy-paste; temper; match; scale space; square filter