一种独立光储发电系统用宽输入范围非隔离三端口变换器_高圣伟.pdf

2023 年2月电 工 技 术 学 报Vol.38No.4第 38 卷第 4 期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETYFeb.2023DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220202一种独立光储发电系统用宽输入范围非隔离三端口变换器高圣伟1,2祝庆同1,2（1.天津工业大学电气工程学院天津3003872.天津市电气装备智能控制重点实验室天津300387）摘要针对独立光储发电系统中光伏电池输入电压的不稳定性，提出一种能够在大于和小于储能端口电压范围内工作的宽输入范围非隔离三端口变换器，可以实现光伏电池、蓄电池和负载之间的能量流动和功率平衡。该文所提变换器是由传统的 Buck、Boost 和 Buck-Boost 变换器分别与双向升降压四开关 Buck-Boost（FSBB）变换器进行组合得到。FSBB 用于连接光伏电池和蓄电池端口，可以削弱储能端口电压对光伏端口电压的约束，满足光伏端口宽电压输入的应用需求，增加了系统的稳定性。该文以 Boost 变换器和 FSBB 变换器进行组合为例设计实验样机，通过实验验证了该变换器理论分析的正确性和所提控制策略的可行性。关键词：三端口变换器宽输入范围四开关 Buck-Boost电压约束控制策略中图分类号：TM460引言为实现“碳中和，碳达峰”的发展目标，减小碳排放量，以太阳能为代表的新能源得到了普遍的关注和发展1-3。但太阳能和风能等新能源的发电过程具有不稳定性，严重依赖于天气，当负载变化时，系统响应较慢，储能装置的加入能够有效地改善系统的动态性能4-5。传统的包含储能环节的新能源独立发电系统常需多个独立的 DC-DC 或 AC-DC 变换器连接输入源、储能电池和负载端，存在变换器数量多、体积大、功率密度低等问题6-8。为了提高系统的功率密度，减少系统体积和设计成本，三端口变换器（Three-Port Converter,TPC）成为近年来研究的热点，其只需要一个变换器便能够完成光伏电池、蓄电池和负载之间的功率管理和能量控制9-10。一般来说，TPC 拓扑可以分为隔离型 TPC 和非隔离 TPC。隔离型 TPC易于实现升降压和电气隔离，适用于大功率应用场合11-13，而对小功率无需电气隔离的应用场合，非隔离型 TPC 有着低成本、高功率密度和高效率等优势。由于光伏等新能源发电系统易受天气的影响，存在间歇性的特点5,13，其输入电压也会随着环境的变化在较宽范围内变化。因此，通过 TPC 端口之间的拓扑实现降压、升压或升降压功能，从而适应光伏电池端口电压变化，减少TPC 储能端口电压对光伏电池端口电压约束的研究是非常有必要的13。文献14提出一种基于双输入变换器和双输出变换器的 TPC 拓扑生成方法，得到了一簇能够实现各端口之间单级功率变换的非隔离型变换器拓扑。但所提拓扑均只能在光伏电池电压大于或小于蓄电池电压的一种情况下工作。文献15提出一种输入串联式三端口拓扑，可以实现 Buck、Boost、Buck-Boost 变换，灵活应用在各种不同电压等级场合。但主电源和蓄电池只能分时供电，且两端口之间不能传递能量，降低了新能源的利用率和能量传递的效率。文献16提出一种非隔离双向三端口升降压变换器，任意端口之间都能够实现双向升降压功率变换，以满足光伏电池宽输入范围的要求。但由于有源和无源功率器件多，导致变换器体积大、效率低。文献17提出一种集成双电感的升压转换器和双电感的双向降压转换器的三端口变换国 家 自 然 科 学 基 金 项 目（51807139）和 天 津 科 技 规 划 项 目（20YDTPJC01520）资助。收稿日期 2022-02-15改稿日期 2022-04-26第 38 卷第 4 期高圣伟等一种独立光储发电系统用宽输入范围非隔离三端口变换器971器，具有功率密度高、效率高等优点。但该拓扑只有在满足输出电压大于光伏电池端口电压和储能端口电压时才能正常工作，一旦超出端口电压限制，TPC 就无法正常工作。文献18提出一种通过集成传统的 Buck、Boost 和 Buck-Boost 变换器而得到可变结构三端口变换器，具有光伏电池端口输入范围宽、结构紧凑和功率器件利用率高等优点。但光伏电池端口能量流向负载端口时，必须经过蓄电池端口，因此，降低了能量从光伏端口传递到负载端口的效率，且光伏电池、蓄电池和负载 3 个端口之间不共地。为了克服以上缺点，本文提出一种宽输入范围的非隔离三端口变换器，该拓扑能削弱储能端口电压对光伏电池端口电压的约束，可实现光伏电池电压在大于或小于蓄电池电压的情况下工作，满足光伏端口电压宽输入范围变化的应用需求。1拓扑结构的提出TPC 拓扑结构推导的方法有很多，本文提出的宽输入范围 TPC 是在文献14中提出方法的基础上发展起来的。首先以开关管 S5、电感 L1和二极管VD3得到经典结构，通过改变开关管和二极管之间的连接方式，得到如图 1 所示的三种经典单元结构；其次把输入输出连接到 3 个节点上，可以得到传统的 Buck、Boost 和 Buck-Boost 变换器，作为连接光伏端口和负载端口的通道。以开关管 S1S4和电感L2构成的 双向升降 压四开关 Buck-Boost（Four-Switch Buck-Boost,FSBB）19-22变换器作为连接光伏电池和蓄电池的通道，FSBB 拓扑结构如图 2 所示（Vpv和 Vb分别为光伏电池和蓄电池电压）；然后再增加一条功率流通路径连接两个变换器得到宽输入范围非隔离 TPC，其拓扑结构如图 3 所示。图 3中，Vo为负载端口电压，S1S5为开关管，L1、L2为电感，Cb、C0为电容，VD1VD4为二极管。（a）（b）（c）图 1三种典型的单元结构Fig.1Three typical cell structures从器件数量和电压特性方面对宽输入范围 TPC进行了拓扑结构对比，见表 1。3 个拓扑结构中蓄电池端口对光伏电池端口的电压要求较不严格，均能图 2FSBB 拓扑结构Fig.2FSBB Topology（a）FS-Boost TPC（b）FS-Buck TPC（c）FS-Buck-Boost TPC图 3宽输入范围 TPC 拓扑结构Fig.3Wide input range TPC topology表 1宽输入范围 TPC 拓扑结构对比Tab.1Comparison of wide input range TPC topology拓扑结构开关管数量二极管数量能否工作在VpvVb和VpvVb负载输出电压是否负极性FS-Boost TPC53能否FS-Buck TPC54能否FS-Buck-Boost TPC54能是工作在 VpvVb和 VpvVb的场合，因此均适用于光伏电池电压随环境变化而变化的可再生应用。FS-Boost TPC 相比 FS-Buck TPC 和 FS-Buck-Boost TPC功率器件较少，且负载输出电压正极性，因此 FS-Boost TPC 在独立光储发电系统中更具有优势。下972电 工 技 术 学 报2023 年 2 月面以 FS-Boost TPC 为例进行详细分析。2工作原理与电压稳态分析2.1能量管理方式为满足独立光储发电系统的应用需求，根据光伏电池功率 Ppv、蓄电池功率 Pb和负载功率 Po三者的大小关系，FS-Boost TPC 需满足四种能量管理方式，FS-Boost TPC 功率流动示意图如图 4 所示。（a）DI 模式（b）DO 模式（c）SISO-PV 模式（d）SISO-B 模式图 4FS-Boost TPC 功率流动示意图Fig.4Schematic diagram of the FS-Boost TPCpower flow当光伏电池处于弱光区时，其输入功率 Ppv不能满足负载需求功率 Po（PpvPo，且蓄电池处于正常工作状态。如图 4a 所示，该拓扑工作在双输入（Double-Input,DI）模式。当光伏电池处于强光区时，其输入功率 Ppv供给负载后还有剩余（PpvPo），且蓄电池处于未充满或亏电状态。如图 4b 所示，该拓扑工作在双输出（Double-Output,DO）模式。当光伏电池处于强光区时，且蓄电池处于满电状态（Pb=0）。如图 4c 所示，该拓扑工作在光伏电池 单输 入 单输 出（Single Input Single Output-PV,SISO-PV）模式。当光伏电池处于阴影区时，其没有输入功率（Ppv=0），且蓄电池处于正常工作状态，如图 4d 所示，该拓扑工作在蓄电池单输入单输出（Single InputSingle Output-Battery,SISO-B）模式。2.2工作原理分析本文提出的 FS-Boost TPC 拓扑结构如图 3a 所示，其包含一个光伏电池、一个蓄电池、5 个开关管（S1S5）、3 个二极管（VD1VD3）、两个电感（L1、L2）、1 个储能电容 Cb和 1 个滤波电容 Co。FS-Boost TPC 运行模态如图 5 所示，该拓扑拥有 15种工作模态（M1M15），通过选择不同的工作模态可以实现在不同的模式下工作。所提 FS-Boost TPC拓扑 VoVpv是固有的约束限制，为了简化电路分图 5FS-Boost TPC 运行模态Fig.5FS-Boost TPC run mode第 38 卷第 4 期高圣伟等一种独立光储发电系统用宽输入范围非隔离三端口变换器973析，假设条件如下：（1）该拓扑工作在连续模式下进行分析。（2）Cb、Co电容容值均足够大，其电压的纹波可忽略。（3）开关管 S1S5以及二极管 VD1VD3均为理想器件，不考虑寄生参数对变换器的影响。2.2.1双输入模式当 VoVpvVb时，开关管 S2、S4、S5处于工作状态，S1、S3保持关断，包括三种工作模态（M6、M7、M8）。阶段 1：开关管 S2、S4导通，S5关断。光伏电池和电感 L1共同向负载供电，蓄电池对电感L2充电，电感的动态关系如式（1）所示。阶段 2：开关管 S4导通，S2和 S5关断。光伏电池和电感 L1共同向负载供电，蓄电池和电感 L2共同向负载供电，电感的动态关系如式（2）所示。阶段 3：开关管 S4和 S5导通，S2关断。光伏电池对电感 L1充电，蓄电池和电感 L2共同向负载供电，电感的动态关系如式（3）所示。11pvo22bd=dd=dLLiLVVtiLVt-|（1）11pvo22bod dd dLLiLVVtiLVVt=-|=-|（2）11pv22bod dd dLLiLVtiLVVt=|=-|（3）式中，iL1、iL2分别为流过电感 L1、L2的电流。当 VoVbVpv时，开关管 S2、S4、S5处于工作状态，S1、S3保持关断，包括三种工作模态（M6、M9、M8）。阶段 1：开关管 S2、S4导通，S5关断。光伏电池和电感 L1共同向负载供电，蓄电池对电感L2充电，电感的动态关系如式（1）所示。阶段 2：开关管 S2、S4、S5均导通。光伏电池和蓄电池分别对电感 L1和电感 L2充电，电感的动态关系如式（4）所示。阶段 3：开关管 S4、S5继续导通，S2关断。光伏电池对电感 L1充电，蓄电池和电感 L2共同向负载供电，电感的动态关系如式（3）所示。11pv22bddddLLiLVtiLVt=|=|（4）当 VbVoVpv时，开关管 S3、S4、S5处于工作状态，S1、S2保持关断，包括三种工作模态（M7、M8、M10）。阶段 1：开关管 S4导通，S3和 S5关断。光伏电池和电感 L1共同向负载供电，蓄电池和电感L2向负载供电，电感的动态关系如式（2）所示。阶段 2：开关管 S4、S5继续导通，S3关断。光伏电池对电感 L1充电，蓄电池和电感 L2共同向负载供电，电感的动态关系如式（3）所示。阶段 3：开关管 S3、S5导通，S4关断，光伏电池对电感 L1充电，电感 L2通过开关管 S3续流向负载供电，电感的动态关系