用于光储发电的三端口变换器研究

发布时间：2016-05-14 07:18

第 1 章  绪  论

1.1  课题来源及研究的背景和意义
当今社会正经历着快速发展，煤炭、石油和天然气等化石能源对世界经济的发展和社会的进步起了极大的促进作用。继而随着经济总量的不断增加，社会发展的速度不断增快，人们对能源的消耗也愈加巨大，但化石能源作为不可再生能源，正日益减少，如不能寻找到可替代能源，其最终将面临枯竭。人们在享受化石能源给人类带来便利的同时，化石能源消耗过程中产生大量的二氧化碳，也带来的温室效应，使全球环境问题也越加严重，已经到了刻不容缓的地步[1-3]。 近些年来，随着技术的进步和科学的发展，人们对新能源的认识不断加深。新能源种类众多，天然地存在环境中，对环境无污染，取之不尽用之不竭，是化石燃料理想的替代能源。以太阳能、风能、地热能为代表的新能源大多经过变换后以电能形式被利用。在此背景下，新能源发电技术应运而生，并且得到快速发展[4-6]。但与传统的火电、水电等发电方式相比，新能源发电具有不确定性、波动性，且受外界环境变化影响大，使其输出功率很不稳定[7,8]，这些劣势严重阻碍了新能源的使用和推广。为了使新能源发电更好的服务于人类社会的发展，需要在新能源发电系统中加入储能单元，作为功率平衡单元，起到削峰填谷，抑制功率波动的作用，最终提高新能源发电的供电可靠性。加入储能单元后，新能源发电系统中会存在着多个电压。目前，工程应用中大多采用的是多个单输入单输出变换器相组合的方式，来实现能量管理和控制。其中，根据系统需要，有的变换器为单向变换器，例如连接光伏阵列和直流母线的变换器；由于系统中的蓄电池具有能量双向流动的特点，因此直流母线和蓄电池之间的变换器为双向的。这样多个变换器相组合的新能源发电系统存在变换器数量多、能量多级变换、效率低，能量管理系统复杂，可靠性差等缺点[9]。三端口变换器（Three-port  converter，TPC）[10-13]是一种典型的同时包含储能单元的新能源发电系统。 
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1.2  三端口变换器国内外研究现状
三端口变换器经过近些年的发展，根据输入输出之间的电气联系，可以将 TPC 分为部分隔离型、隔离型和非隔离型。输入端口和输出端口之间没有实现电气隔离三端口变换器为非隔离型，结构一般较为简单，但升降压能力比较有限，适用于电压等级相差不太大的场合。根据端口所处位置及其连接方式，可以将非隔离型三端口变换器分为输入串/并联型、输出串/并联型和嵌入型三大类。输入串/并联型非隔离三端口变换器有两个输入源，一个输出源，它主要是通过合理的设计将两个输入源在输入端进行有效的串/并联形成三端口变换器。文献[14-15]提出了以 Buck-Boost 为基本拓扑，将两个或多个源在输入端进行并联，为了使每个源所在支路都变得可控，在每个并联源支路上都增加一个开关管，拓扑结构如图 1-1 所示。此种拓扑结构简单，易于控制，但只是对输入端进行简单的组合，各个输入源不能同时工作，而且输入源的电压等级需要比较接近，限制了电源利用率。
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第 2 章  三端口变换器原理及工作过程分析

2.1  引言
本章介绍了一种应用于光储发电的三端口拓扑，根据三个端口之间的功率关系，对拓扑工作模式进行了研究。针对每种工作模式，对其工作原理进行分析，最后讨论了三端口变换器在蓄电池充电模式和蓄电池放电模式的切换特性。
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2.2  三端口拓扑及稳态工作原理分析 

2.2.1  三端口拓扑

三端口拓扑如图 2-1 所示，包括光伏输入端（PV），蓄电池端（Battery）和负载端（R）。主电路主要由开关管，二极管和耦合变压器组成，其中开关管 S1、S2、S3（D1、D2和 D3分别为开关管 S1、S2、S3的体二极管）起到控制功率路径的作用；二极管 D4、D5防止功率的反向流动；耦合变压器 T 的作用是能量的储存和传输。 连接光伏阵列、负载和蓄电池的三端口功率变换装置，以蓄电池作为功率平衡单元，根据端口之间的功率关系，可以将上述三端口变换器分为四种工作模式，如图 2-2 所示。光伏阵列在保证负载供电优先的条件下，剩余能量给蓄电池充电，功率流向如图 2-2 a)所示。光伏阵列满足负载功率的条件下，而此时蓄电池不需要充电，光伏阵列发出的能量对地分流，功率流向如图 2-2 b)所示。光伏阵列独自供电无法满足负载的需求，需要同蓄电池联合向负载供电，功率流向图如 2-2 c)所示。光伏阵列无功率输出，蓄电池独自给负载供电，功率流向图如 2-2 d)所示。 

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第 3 章  三端口变换器控制系统设计与建模分析 ....... 20 
3.1  引言 .... 20 
3.2  三端口拓扑功率流向及其等效电路 ........ 20 
3.3  三端口变换器控制策略分析 ........... 21
3.4  三端口变换器建模和分析 ...... 24 
3.5  本章小结 ...... 28 
第 4 章  三端口变换器系统参数设计 ........ 29
4.1  引言 .... 29 
4.2  三端口变换器系统 ........ 29 
4.3  三端口变换器主电路参数设计 ....... 29
4.4  三端口变换器辅助电路设计 ........... 31
4.5  三端口变换器软件系统设计 ........... 34 
4.6  本章小结 ...... 35 
第 5 章  仿真与实验结果分析 .......... 36 
5.1  引言 .... 36 
5.2  三端口变换器系统样机 .......... 36 
5.3  光伏阵列建模分析 ........ 37 
5.4  蓄电池充电区间仿真及实验结果分析 ..... 39
5.5  分流区间仿真及实验结果分析 ....... 43
5.6  蓄电池放电区间仿真及实验结果分析 ..... 47
5.7  本章小结 ...... 50

第 5 章  仿真与实验结果分析

5.1  引言
在前四章分析的基础上，在 MATLAB/Simulink 搭建光伏阵列和三端口变换器的仿真模型，对电路的蓄电池充电区间、分流区间和蓄电池放电区间进行了开环和闭环仿真，最后搭建一台实验样机，对实验结果进行测量分析。为测试方便，本课题实验中用光伏模拟器代替光伏阵列作为输入源，通过上位机设定与光伏阵列几乎有相同的输出特性。功率变换模块包括为实现端口电压和电流变换的三端口变换器，开关管的驱动单元和采样单元等。控制模块集成了电压调理电路、电流调理电路、保护电路和控制电路。根据三端口拓扑工作原理和控制要求，对三端口变换器工作在蓄电池充电区间进行了闭环仿真与实测分析，验证拓扑在保证负载稳定的情况下，给蓄电池充电，且等效工作在 Boost 电路，最后进行了切载实验。
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结   论

本文以三端口变换器为研究对象，针对光伏发电中功率输出的波动性和不确定性的问题，采用光储发电一体化方式，使变换器的输出功率变得可控，论文主要结论如下： 
（1）分析了三端口变换器的各个工作过程，将其划分为蓄电池充电模式、分流模式、光伏阵列和蓄电池联合供电模式、蓄电池独自供电模式；根据外界条件的变化，确定了变换器在蓄电池充电模式和蓄电池放电模式之间平滑切换的动态要求。 
（2）提出了三端口变换器的控制策略。该控制策略包含了输出电压控制器、蓄电池电压控制器、蓄电池电流控制器、输入电压控制器和工作区间控制器。上述控制器能使负载电压在各个工作区间输出稳定，而且端口变量可控。 
（3）在 MATLAB/Simulink 搭建光伏阵列和三端口变换器的仿真模型，进行了蓄电池充电区间、分流区间和蓄电池放电区间的开闭环仿真，，验证了设计的合理性。 
（4）设计了主电路参数，编写了三端口变换器的软件系统，最终搭建起了一台试验样机并实验，结果表明初步实现了功率按要求在端口之间流动功能。 
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参考文献(略)

本文编号：44970