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微功耗清洁能源存贮系统

发布时间:2020-06-30 17:43:50 阅读: 来源:竹窗帘厂家

1传统能源存贮系统

本文引用地址:传统贮能系统中,DC/DC、AC/DC、DC/AC三种功率变换器都采用PWM脉宽调制技术,无论是电能存贮侧充电功率的获得,还是电能释放侧的并网功率的获得,都采用PWM脉宽调制,电路拓朴有桥式、半桥式、推挽式、正激式、反激式等等,还有Boost、Buck、Cuk等电路形式。其工作方式是,首先把输入直流电压全部变换成高频方波,然后用大电容滤波,变成另一种直流或交流电压。这种方法有以下弊端:

⑴ 采用脉宽调制的方法,高频率、大功率方波的产生过程,也就是强烈EMI干扰产生的过程,大功率直流变换器相当于一个高频功率发射台,可以想见,所产生的干扰何其严重。

⑵ 功率变换过程中,输入功率的全部必须进行实际的功率变换,所有变换的功率必须通过磁芯变压器或电感传递才能到达输出端,损耗大,效率低。

图1是传统能源存贮系统框图,两侧功率总损耗接近30%,对于清洁能源来说,比如光伏发电,其效率本来就很低,好不容易花大成本把太阳能变换成电能,却让电能存贮系统两侧的功率变换器白白浪费了这么多,实在可惜。

2 微功耗清洁能源存贮系统

图1是微功耗清洁能源存贮系统的原理框图,由3部份组成:充电侧的微功耗充电、蓄电池、并网侧的微功耗逆变。微功耗充电包括:产生恒流恒压的直流稳压器、功率因数校正器、无损充电等。微功耗逆变包括:单相或三相逆变器。

在充电侧,可接受来自电网谷电、风力发电的交流电压,也可以接受来自太阳能发电、潮汐发电、地热发电的直流电压。对于交流电压,首先要进行功率因数校正,对于直流电压,要获得恒流、恒压充电功率;在并网侧,要进行单相或三相逆变,由直流变换到交流,然后并入电网;蓄电池可以是锂离子动力蓄电池、千网水平蓄电池、普通铅酸蓄电池、其他类型蓄电池。

图1 微功耗清洁能源存贮系统框图

微功耗充电,可以接受交流电压,也可以接受直流电压。如果输入交流电压,进入功率因数校正器,如果输入直流电压,进入直流稳压器,产生恒流恒压充电功率。无论输入的是交流电压还是直流电压,都采用无损充电方式。在并网侧,对于单相交流输出,有一个单相直流逆变器,对于三相交流输出,有一个三相直流逆变器。

3直流稳压器

图2是直流稳压器原理电路。设输入电压Vi=10.5V,要求输出电压Vo=12V,该电路产生一个补偿电压Vc=1.5V,叠加在输入电压之上,使得输出电压等于12V。V2是功率MOS管Q2的栅极100kHz的方波驱动信号,V1是输入直流电压。电路启动后,Q2饱和导通,电池电压V1通过Q2的漏源极向电感L1充电,电感电流线性增加,电感中存贮的能量不断增多。与此同时,电容C2上的电压向负载R2放电。半个周期后,Q2截止,存贮在电感L1中的电能通过Q1的体内二极管向电容C1充电。C1上的电压叠加在电池电压V1之上,在向负载电阻R2供电的同时,也向电容C2充电。图2右边是各点电压的仿真波形,从上到下依次是:输出电压Vo、输入电压Vi、补偿电压Vc。从图可以看到,输出电压Vo(12V)是输入电压Vi(10.5V)和补偿电压Vc(1.5V)之和。

图2 直流稳压器原理电路

功率MOS管Q1没有驱动信号,只利用功率MOS管Q1体内二极管的正向特性,其饱和压降小,通过电流大。

与传统直流功率变换不同的是,在这儿并不是不问青红皂白地行把输入电压全部变换成方波电压,而是根据情况,只把输入电压中的极小部份变换成方波电压。例如:输入电压是10.5V,输出电压是12V,应该在10.5V的输入电压之上补偿1.5V。因此,仅仅只须把这应该补偿的1.5V变换成方波电压即可。图2右边是各点电压的仿真波形,从上到下依次是:输出电压Vo,输入电压Vi,补偿电压Vc 。

图3是引入UC1825的直流稳压器实用电路,在控制芯片UC1825的右边电路与图2完全一样,只是Q1的栅极驱动信号V2换成了UC1825输出信号OUT_A,当负载或输入电压变化时,由UC1825调节脉宽,保持输出电压Vo不变。

图3 引入UC1825的直流稳压器实用电路

调节UC1825输出信号OUT_A的脉宽来控制输出电压Vo不变,只不过是调节由电感L1而来的极小部份的直流电压,即电容C1上的补偿电压,而绝大部份直流电压,即负载电阻R6上的绝大部份电压是由输入电压直接而来,未经任何功率变换。

图3右边是接UC1825芯片的电压补偿电路各点电压仿真波形,与图2的仿真波形相似。

4 功率因数校正器

功率因数校正器就是直流稳压电路,当输入电压是交流时,就是功率因数校正电路,当输入电压是直流时,就是直流稳压电路,

图4是单相微功耗功率因数校正器的原理电路。把图2直流稳压电路中的电池V2代之以整流后的馒头波电压Vd即可,要使输出电压Vo成为直流电压,必须在馒头波电压Vd之上叠加波形如(1-SinX)的补偿电压。其结果正是我们为之期待的,直流补偿电路对馒头波电压进行补偿的过程,正是功率因数校正的过程。

在此过程中,输入馒头波电压Vd之所以成为直线输出电压Vo,那是因为在其上叠加了补偿电压Vc 。补偿电压Vc是经过功率变换而来,但输入馒头波电压Vd不必经过任何功率变换,直接到达输出端,成为输出功率。这正是微功耗功率因数校正器的最大特点:只要把输入功率中极小部份(补偿电压的获得)进行功率变换,就可以得到全部输出功率,即输入功率中极大部份(整个馒头波电压)既不必进行实际的功率变换,也不必通过磁芯变压器或电感传递,直接到达输出端,成为输出功率。其变换效率可视为100%。

图4 单相微功耗功率因数校正器

图4电路中,V2是市电,通过由D3-D6组成的整流桥后,成为馒头波电压Vd(即电容C2上的电压),与电容C3并联,馒头波电压补偿的过程与图4直流电压补偿的过程完全相同,图4右边是馒头波电压补偿电路各点电压、电流的仿真波形,从上到下依次是:输入电压Vi、补偿电压Vc、输入电流Ii 。单从几何图形理解,补偿电压Vc是一个倒置的馒头波,把这个倒置的馒头波叠加在一个正向馒头波之上,其结果当然成为一条直线,因为倒置的馒头波和正向馒头波在几何图形上是互补的,这其实是公式Vo=Vi+Vc=SinX+(1-SinX)=1的真谛。

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