一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及控制方法
阅读：325发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及控制方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器，该变换器包括两个 开关 管、三个电容、三个 二极管 和三个电感，三个电容分别与 蓄 电池 、光伏组件和负载并联。第一开关管、第二开关管、第一二极管、第二二极管和第一电感构成Bcuk‑Boost 电路 ，实现 蓄电池 和光伏组件 能量 的双向流动；第一开关管、第三二极管和第二电感构成Boost电路，实现光伏组件能量向负载流动。本发明通过复用开关管实现功率开关的集成，减少了一个开关管及其驱动模 块 ，提高了变换器的集成度，并降低了成本。本发明还公开了该变换器的控制方法，控制第一电感工作在CCM模式，采用变占空比实现光伏组件 最大功率点 跟踪 控制；控制第二电感工作在DCM模式，采用变频控制实现负载恒压控制。，下面是一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及控制方法专利的具体信息内容。
1.一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器，所述三端口集成式变换器的三个端口分别与光伏组件、蓄电池和负载连接，其特征在于，所述变换器包括：
第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感和第二电感，所述第一开关管与所述第二开关管互补导通；
所述光伏组件的正极与所述第二开关管的漏极、所述第二电感的第一端、所述第二电容的第一端连接，所述光伏组件的负极与所述第一二极管的阳极、所述第一电容的第二端、所述蓄电池的负极、所述第二电容的第二端、所述第一开关管的源极、所述第三电容的第二端、所述负载的负极连接；
所述蓄电池的正极与所述第一电容的第一端、所述第一电感的第一端连接；
所述第一电感的第二端与所述第一二极管的阴极、所述第二开关管的源极、所述第二二极管的阳极连接；
所述第二二极管的阴极与所述第二电感的第二端、所述第三二极管的阳极连接；
所述第三二极管的阴极与所述第三电容的第一端、所述负载的正极连接。
2.如权利要求1所述的三端口集成式变换器，其特征在于，所述第一开关管和所述第二开关管均为MOS管。
3.如权利要求1所述的三端口集成式变换器，其特征在于，还包括控制电路，所述控制电路包括第一控制支路、第二控制支路、调制器，且所述第一控制支路与第二控制支路连接到所述调制器；
所述第一控制支路用于获取光伏组件的输出电压以及光伏组件的输出电流，产生第一调制信号，以实现光伏组件的最大功率点跟踪控制；
所述第二控制支路用于获取负载的端电压，产生第二调制信号，以实现负载两端的恒压控制。
4.如权利要求3所述的三端口集成式变换器，其特征在于，所述调制器包括脉冲宽度调制单元和脉冲频率调制单元。
一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及控制方法
技术领域
[0001] 本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及控制方法。
背景技术
[0002] 随着能源危机与环境污染的日益加剧，光伏发电技术受到各国政府和企业的广泛关注。由于太阳能具有波动性和随机性，光伏发电系统需要配备蓄电池来储存和调节电能，保证向负载(如直流变换器、逆变器、直流微网等)连续稳定供电。因此，光伏储能发电系统具有光伏、蓄电池和负载三个端口，且通常采用Boost光伏接口和Buck/Boost双向储能接口两个变换器，分别实现光伏组件的最大功率点跟踪(Maximum Pawer PointTracking,MPPT)控制和蓄电池的充放电控制，如图1所示。这种结构能够有效地实现光伏储能系统的能量管理与控制，但存在元器件数量多、体积重量大，整体效率低等缺点。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器，包括光伏组件、变换器、蓄电池和负载，其中，所述变换器包括：第一开关管、第二开关管、第一电容、第二电容、第三电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第一电感和第二电感；所述光伏组件的正极与所述第二开关管的漏极、所述第二电感的第一端、所述第二电容的第一端连接，所述光伏组件的负极与所述第一二极管的阳极、所述第一电容的第二端、所述蓄电池的负极、所述第二电容的第二端、所述第一开关管的源极、所述第三电容的第二端、所述负载的负极连接；所述蓄电池的正极与所述第一电容的第一端、所述第一电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述第一二极管的阴极、所述第二开关管的源极、所述第二二极管的阳极连接；所述第二二极管的阴极与所述第二电感的第二端、所述第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极与所述第三电容的第一端、所述负载的正极连接。
[0005] 优选的，所述第一开关管和所述第二开关管均为MOS管。
[0006] 优选的，本发明提供的三端口集成式变换器还包括控制电路，控制电路包括第一控制支路、第二控制支路、调制器，且所述第一控制支路和所述第二控制支路均连接到调制器；所述第一控制支路用于获取光伏组件的输出电压以及光伏组件的输出电流，产生第一调制信号，以实现光伏组件的最大功率点跟踪控制；所述第二控制支路用于获取负载的端电压，产生第二调制信号，以实现负载两端的恒压控制。
[0007] 优选的，所述调制器包括脉冲宽度调制单元和脉冲频率调制单元。
[0008] 本发明还提供了一种三端口集成式变换器的控制方法，所述方法具体为：
[0009] 控制第一电感和第二电感分别工作在CCM模式和DCM模式；
[0010] 获取光伏组件的输出电压以及光伏组件的输出电流，产生第一调制信号；
[0011] 获取负载的端电压，产生第二调制信号；
[0012] 根据所述第一调制信号和所述第二调制信号产生第一开关管驱动信号，所述第一调制信号用于调制所述第一开关管驱动信号的占空比，所述第二调制信号用于调制所述第一开关管驱动信号的频率；
[0013] 所述第一开关管驱动信号取反得到第二开关管驱动信号。
[0014] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过开关管的复用，将传统光伏储能系统中的Buck/Boost双向储能接口变换器和Boost光伏接口变换器集成在一起，通过PWM+PFM的混合调制策略，实现三个端口间功率流的灵活控制。与传统的用于光伏储能系统的变换器相比，该三端口集成式变换器减少了一个开关管及其驱动模块，提高了系统的集成度，并降低了成本。另外，本发明提供的三端口集成式变换器能够适应光伏储能系统中光伏功率突变、负载功率突变等极端情况，保证了系统的可靠性和稳定运行。附图说明
[0015] 图1为传统用于光伏储能系统的变换器电路结构示意图。
[0017] 图3(a)～(c)为本申请实施例的三端口集成式变换器工作于光伏、蓄电池联合供电模式时不同模态的等效电路图。
[0018] 图3(d)为本申请实施例的三端口集成式变换器工作于光伏、蓄电池联合供电模式时的工作波形图。
[0019] 图4(a)～(c)为本申请实施例的三端口集成式变换器工作于光伏同时向蓄电池和负载供电模式时不同模态的等效电路图。
[0020] 图4(d)为本申请实施例的三端口集成式变换器工作于光伏同时向蓄电池和负载供电模式时的工作波形图。
[0021] 图5(a)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于光伏组件输出功率增加，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形。
[0022] 图5(b)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于负载功率减小，运行模式由光伏、蓄电池联合供电模式切换至光伏同时向蓄电池和负载供电模式的仿真波形。
[0023] 图6(a)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于光伏组件输出功率减小，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形。
[0024] 图6(b)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于负载功率增加，运行模式由光伏同时向蓄电池和负载供电模式切换至光伏、蓄电池联合供电模式的仿真波形。
具体实施方式
[0025] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0026] 如图2所示，本申请实施例中一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器，变换器的三个端口分别与光伏组件PV、蓄电池和负载相连，其中，变换器包括第一开关管S1、第二开关管S2、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第一电感L1和第二电感L2；光伏组件PV的正极与第二开关管S2的漏极、第二电感L2的第一端、第二电容C2的第一端连接，光伏组件PV的负极与第一二极管D1的阳极、第一电容C1的第二端、蓄电池的负极、第二电容C2的第二端、第一开关管S1的源极、第三电容C3的第二端、负载的负极连接；蓄电池的正极与第一电容C1的第一端、第一电感L1的第一端连接；第一电感L1的第二端与所述第一二极管D1的阴极、第二开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极连接；第二二极管D2的阴极与第二电感L2的第二端、第三二极管D3的阳极连接；第三二极管D3的阴极与第三电容C3的第一端、负载的正极连接。
[0027] 在本实施例中，第一开关管S1和第二开关管S2均采用MOS管。
[0028] 根据一示例性而非限定性实施例，控制电路控制开关管的通断。在此实施例中，控制电路包括第一控制支路、第二控制支路和调制器，调制器包括脉冲宽度调制单元和脉冲频率调制单元，其中，第一控制电路用于获取光伏组件的输出电压以及光伏组件的输出电流，产生第一调制信号，第二控制支路用于获取负载的端电压，产生第二调制信号。第一控制支路的输出端连接脉冲宽度调制单元，用于向脉冲宽度调制单元提供第一调制信号。第二控制支路的输出端连接脉冲频率调制单元，用于向脉冲频率调制单元提供第二调制信号。
[0029] 根据一示例性而非限定性实施例，第一控制支路依次包括MPPT控制单元、第一加法器、第一调节器。MPPT控制单元，该MPPT控制单元的电压输入端通过电压采样器与光伏组件PV的两端连接，电流输入端通过电流采样器与光伏组件的输出端连接；第一加法器，该第一加法器的输入端与MPPT控制单元的输出端连接，还通过电压采样器与所述光伏组件的两端连接；第一调节器，该第一调节器的输入端与所述加法器的输出端连接，输出端与脉冲宽度调制单元的输入端连接。
[0030] 在此实施例中，第一控制支路采样光伏组件的输出电压upv和输出电流ipv并送至MPPT控制单元进行MPPT运算，MPPT控制单元输出电压参考值upv,ref，第一加法器计算得到光伏组件的输出电压upv和电压参考值upv,ref的第一误差信号ue1，通过第一调节器得到第一调制信号uc1。第二控制支路从负载的输出端采集负载的端电压uo，第二加法器根据预设的负载电压参考值uo,ref和负载端电压uo进行计算，得到第二误差信号ue2，再通过第二调节器得到第二调制信号uc2。
[0031] 调制器输出第一开关管S1的驱动信号ugs1，第一调制信号uc1输入脉冲宽度调制单元控制驱动信号ugs1的占空比d，第二调制信号uc2输入脉冲频率调制单元控制驱动信号ugs1的fs，将第一开关管S1的驱动信号ugs1取反得到第二开关管S2的驱动信号ugs2。需要说明的是，在此实施例中，驱动信号通过驱动电路驱动开关管，表示驱动开关管导通或截止，也可称之为驱动开关管的通断。
[0032] 本申请实施例中的三端口集成式变换器在光伏储能系统中正常工作时有两种工作模式：当光伏组件PV输出功率Ppv无法满足负载功率Po时，三端口集成式变换器工作于光伏、蓄电池联合供电模式，记为模式1；当光伏组件PV输出功率Ppv大于负载功率Po时，三端口集成式变换器工作于光伏同时向蓄电池和负载供电模式，记为模式2。下面详细结合具体实例介绍不同工作模式的工作原理。为了简化分析，首先假设三端口集成式变换器工作已经达到稳态，并符合以下条件：①所有功率管、电容以及电感均为理想元件；②所有电容都足够大，其电压纹波为零，即蓄电池电压UB、光伏电压Upv和负载电压Uo近似恒定，故可等效为恒压源。
[0033] 模式1：光伏、蓄电池联合供电模式。
[0034] 根据图3(a)～图3(d)，说明光伏、蓄电池联合供电模式的工作原理。
[0035] 光伏、蓄电池联合供电模式下，光伏组件PV和蓄电池之间由第一电感L1、第一开关管S1、第二二极管D2和第二开关管S2构成Bcuk-Boost电路，实现蓄电池能量向光伏组件方向流动；光伏组件和负载之间由第二电感L2、第一开关管S1和第三二极管D3构成Boost电路，实现光伏组件能量向负载方向流动。
[0036] 一个开关周期内，该三端口集成式变换器的工作过程可共有分为3种工作模态，如图3(a)～图3(c)，一个开关周期内的主要波形示意图，如图3(d)所示。
[0037] 分述如下：
[0038] t0时刻前，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，二极管D1-D3均处于关断状态，第一电感L1经第二开关管S2线性放电，第二电感L2的电流为0。
[0039] 模态1：[t0-t1](等效电路如图3(a)所示)
[0040] 在t0时刻，开通第一开关管S1，关断第二开关管S2，第二二极管D2导通，其余二极管均关断。第一电感L1和第二电感L2均承受正向电压，故iL1(t)、iL2(t)线性增长，其表达式分别为：
[0041]
[0042]
[0043] 模态2：[t1-t2](等效电路如图3(b)所示)
[0044] t1时刻，关断第一开关管S1，开通第二开关管S2，模态1结束，模态2开始。此时，第一二极管D1、第二二极管D2反向偏置而第三二极管D3导通。第一电感L1和第二电感L2承受反向电压，iL1(t)经第二开关管S2续流，而iL2(t)经第三二极管D3续流，其表达式分别为：
[0045]
[0046]
[0047] 模态3：[t2-t3](等效电路如图3(c)所示)
[0048] t2时刻，iL2(t)下降到0，模态2结束，模态3开始。此时，第二开关管S2继续开通，第一开关管S1、二极管D1-D3均处于关断状态，而iL1(t)仍经第二开关管S2续流，其表达式和式(3)类似，不再赘述。到t3时刻，开通第一开关管S1，关断第二开关管S2，模态3结束，下一个开关周期开始，重复上述过程。
[0049] 根据图4(a)～图4(d)，说明蓄电池和负载供电模式的工作原理。
[0050] 光伏同时向蓄电池和负载供电模式下，光伏组件和蓄电池之间由第一电感L1、第一二极管D1和第二开关管S2构成Bcuk电路，实现伏组件能量向蓄电池方向流动；光伏组件和负载之间由第二电感L2、第一开关管S1和第三二极管D3构成Boost电路，实现光伏组件能量向负载方向流动。
[0051] 一个开关周期内，该三端口集成式变换器在光伏储能系统中的工作过程可共有分为3种工作模态，如图4(a)～图4(c)，一个开关周期内的主要波形示意图，如图4(d)所示。
[0052] 模态1：[t0-t1](等效电路如图4(a)所示)
[0053] t0时刻前，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，二极管D1-D3均处于关断状态，第一电感L1经第二开关管S2线性充电，第二电感L2的电流为0。在t0时刻，开通第一开关管S1，关断第二开关管S2，第一二极管D1导通，其余二极管均关断。第二电感L2承受正向电压，第一电感L1承受反向电压。故iL2(t)线性增长，其表达式与式(2)相同；iL1(t)线性减小，其表达式为：
[0054]
[0055] 模态2：[t1-t2](等效电路如图4(b)所示)
[0056] t1时刻，关断第一开关管S1，开通第二开关管S2，模态1结束，模态2开始。此时，第三二极管D3导通而第一二极管D1、第二二极管D2反偏。第二电感L2承受反向电压，第一电感L1承受正向电压，故iL2(t)线性减小，其表达式与式(4)相同；iL1(t)线性增大，其表达式分别为：
[0057]
[0058] 模态3：[t2-t3](等效电路如图4(c)所示)
[0059] t2时刻，iL2(t)下降到0，模态2结束，模态3开始。第二开关管S2继续开通，第一开关管S1、二极管D1-D3均处于关断状态，而iL1(t)仍经第一开关管S1保持之前斜率继续上升，其表达式和式(6)类似，不再赘述。到t3时刻，开通第一开关管S1，关断第二开关管S2，模态3结束，下一个开关周期开始，重复上述过程。
[0061] 表1 各端口参数
[0062]
[0063] 模式1向模式2切换有两种情况，仿真结果如下：
[0064] (1)负载功率Po＝1kW，光伏组件输出功率Ppv由0.5kW突变为1.5kW
[0065] 如图5(a)所示，在0.303s时刻前，蓄电池电流iB为10A说明蓄电池处于放电状态；并且光伏组件输出功率Ppv为0.5kW(5A×100V)，负载所需功率Po为1kW(2.5A×400V)，此时Ppv小于Po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。0.303s时刻，Ppv发生突变由0.5kW突变为
1.5kW(15A×100V)，0.36s时系统达到稳态，负载所需功率Po仍为1kW，此时Ppv大于Po，并且蓄电池电流iB由10A变为-8.5A，说明蓄电池处于充电状态，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。
1.5kW(15A×100V)，0.36s时系统达到稳态，负载所需功率Po仍为1kW，此时Ppv大于Po，并且蓄电池电流iB由10A变为-8.5A，说明蓄电池处于充电状态，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。
[0066] (2)光伏组件输出功率Ppv＝1kW，负载功率Po由1.5kW突变至0.5kW
[0067] 如图5(b)所示，在0.308s时刻前，蓄电池电流iB为10A说明蓄电池处于放电状态；并且光伏组件输出功率Ppv为1kW(10A×100V)，负载所需功率Po为1.5kW(3.75A×400V)。此时Ppv小于Po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。0.308s时刻，负载所需功率Po发生突变由1.5kW突变为0.5kW(1.25A×400V)，0.36s时，系统达到稳态，此时光伏组件输出功率Ppv仍为1kW，此时Ppv大于Po，并且蓄电池电流iB由10A变为-8.5A，说明蓄电池处于充电状态，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。
[0068] 切换过程所用时间只有不到0.06秒，而且切换过程中光伏组件端电压Upv的超调量不到15％，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。
[0069] 模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电)向模式1(光伏、蓄电池联合供电)切换也有两种情况：
[0070] (1)负载功率Po＝1kW，光伏组件输出功率Ppv由1.5kW突变为0.5kW，仿真结果如图6(a)所示。由图可以看出，切换前蓄电池电流iB为-8.5A说明蓄电池处于充电状态；并且光伏组件输出功率Ppv为1.5kW(15A×100V)，负载所需功率Po为1kW(2.5A×400V)，此时Ppv大于Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。0.3s时刻，Ppv发生突变由1.5kW突变为0.5kW(5A×100V)，0.36s时系统达到稳态，负载所需功率Po仍为1kW，此时Ppv小于Po，并且蓄电池电流iB由-8.5A变为10A，说明蓄电池处于放电状态，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。
[0071] (2)光伏组件输出功率Ppv＝1kW，负载功率Po由0.5kW突变至1.5kW。仿真结果如图6(b)所示。由图可以看出，切换前蓄电池电流iB为-8.5A说明蓄电池处于充电状态；并且光伏组件输出功率Ppv为1kW(10A×100V)，负载所需功率Po为0.5kW(1.25A×400V)，此时Ppv大于Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。0.303s时刻，Po发生突变由0.5kW突变为1.5kW(3.75A×400V)，0.36s时系统达到稳态，光伏组件输出功率Ppv仍为1kW，此时Ppv小于Po，并且蓄电池电流iB由-8.5A变为10A，说明蓄电池处于放电状态，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。
[0072] 切换过程所用时间只有不到0.08秒，而且切换过程中光伏组件端电压Upv的超调量不到15％，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。
[0073] 从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的一种用于光伏储能系统的三端口集成式变换器及其控制方法能够实现光伏组件的最大功率输出和负载电压恒定，且变换器在光伏组件和负载的功率变化时能够合理地分配各端口之间的功率，灵活地实现模式切换，保证系统的稳定高效运行。
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