一种三端口集成式光伏储能变换器
阅读：835发布：2020-05-12
专利汇可以提供一种三端口集成式光伏储能变换器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种三端口集成式光伏储能变换器，该变换器包括两个 开关 管、三个电容、两个 二极管 和两个电感；三个电容分别与 蓄 电池 、光伏组件和负载并联；第一开关管和第二开关管互补导通。采用PWM+PFM调制策略，控制第一电感工作在DCM模式，采用变频控制实现光伏组件 最大功率点 跟踪 控制；控制第二电感工作在CCM模式，采用变占空比实现负载恒压控制。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。，下面是一种三端口集成式光伏储能变换器专利的具体信息内容。
1.一种三端口集成式光伏储能变换器，所述三端口集成式变换器的三个端口分别与光伏阵列、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，所述第一电感和第二电感分别工作在DCM模式和CCM模式；
所述光伏阵列的正极与所述第一电感的第一端和所述第一电容的第一端连接，所述光伏阵列的负极与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二电容的第一端、所述第二电感的第一端连接；
所述第一电感的第二端与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阳极连接；
所述第一二极管的阴极与所述第二电感的第二端、所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接；
所述第二二极管的阴极与所述第二开关管的漏极、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。
一种三端口集成式光伏储能变换器
技术领域
[0001] 本发明属于变换器控制技术领域，具体涉及一种三端口集成式光伏储能变换器。
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，分别实现光伏阵列的最大功率点跟踪(Maximum Pawer Point Tracking,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] 本发明提供了一种三端口集成式光伏储能变换器，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，所述第一电感和第二电感分别工作在DCM模式和CCM模式；所述光伏阵列的正极与所述第一电感的第一端和所述第一电容的第一端连接，所述光伏阵列的负极与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二电容的第一端、所述第二电感的第一端连接；所述第一电感的第二端与所述第一二极管的阳极、所述第二二极管的阳极连接；所述第一二极管的阴极与所述第二电感的第二端、所述第一开关管的漏极和所述第二开关管的源极连接；所述第二二极管的阴极与所述第二开关管的漏极、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] 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
[0007] 图1为传统用于光伏储能系统的变换器电路结构示意图。
[0009] 图3(a)～(c)为本申请实施例的三端口集成式变换器不同模态的等效电路图。
[0010] 图4(a)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。
[0011] 图4(b)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。
[0012] 图5(a)、(b)为本申请实施例的三端口集成式变换器系统控制框图。
[0013] 图6(a)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。
[0014] 图6(b)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于光伏阵列输出功率增加，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。
[0015] 图7(a)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。
[0016] 图7(b)为本申请实施例的三端口集成式变换器由于光伏阵列输出功率减小，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。
具体实施方式
[0017] 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。
[0018] 如图2所示，本申请实施例中一种三端口集成式光伏储能变换器，变换器的三个端口分别与光伏阵列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、第一电感L1和第二电感L2；第一开关管S1与第二开关管S2互补导通，第一电感L1和第二电感L2分别工作在DCM模式和CCM模式；光伏阵列PV的正极与第一电感L1的第一端和第一电容C1的第一端连接，光伏阵列PV的负极与第一电容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；蓄电池的正极与第二电容C2的第一端、第二电感L2的第一端连接；第一电感L1的第二端与第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极连接；第一二极管D1的阴极与第二电感L2的第二端、第一开关管S1的漏极和第二开关管S2的源极连接；第二二极管D2的阴极与第二开关管S2的漏极、第三电容C3的第一端、负载的正极连接。
[0019] 在本实施例中，第一开关管S1和第二开关管S2均采用MOS管。
[0020] 本申请实施例中的三端口集成式光伏储能变换器正常工作时有两种工作模式：光伏、蓄电池联合供电模式和光伏同时向蓄电池和负载供电模式。接下来分析这两种工作模式下变换器的基本工作原理。为了简化分析，首先假设系统工作已经达到稳态，并符合以下条件：(i)除考虑功率管的内阻外，不考虑功率管其它参数影响；(ii)储能元件均为理想元件，所有电容容量都足够大，其电压纹波忽略不计，即蓄电池电压UB、光伏阵列电压Upv和负载电压Uo恒定；(iii)第一电感L1工作在DCM模式，第二电感L2工作在CCM模式。
[0021] (1)模式1：光伏、蓄电池联合供电模式
[0022] 当光伏阵列发出功率无法满足负载功率时，变换器工作在光伏、蓄电池联合供电模式。该变换器在一个开关周期中的工作可分成3个模态，每个工作模态对应的等效电路如图3所示，图中实线箭头表示各模态下电流方向。主要波形如图4(a)所示，下面分别予以分析。
[0023] 模态1：[t0-t1](等效电路如图3(a)所示)
[0024] t0时刻前，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2均处于关断状态。第一电感L1的电流为0，第二电感L2经第二开关管S2线性放电。在t0时刻，开通第一开关管S1，关断第二开关管S2，模态1开始。此时，第一二极管D1导通，第二二极管D2关断。第一电感L1和第二电感L2分别承受正向电压Upv和UB，故第一电感电流iL1(t)、第二电感电流iL2(t)均线性增长，其表达式分别为：
[0025]
[0026]
[0027] 模态2：[t1-t2](等效电路如图3(b)所示)
[0028] 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均导通。第一电感L1承受反向电压Uo-Upv，其第一电感电流iL1(t)线性减小，其表达式为：
[0029]
[0030] 第一电感电流iL1(t)同时经第二二极管D2支路和第一二极管D1与第二开关管S2串联支路两条支路续流。流过第一二极管D1和第二二极管D2的电流分别为：
[0031]
[0032]
[0033] 第二电感L2承受反向电压Uo-UB，第二电感L2的电流iL2(t)经第二开关管S2续流，其表达式为：
[0034]
[0035] 模态3：[t2-t3](等效电路如图3(c)所示)
[0036] t2时刻，第一电感L1的电流iL1(t)下降到0，模态2结束，模态3开始。此时，第二开关S2继续开通，第一开关管S1、第一二极管D1与第二二极管D2均处于关断状态。第二电感L2的电流iL2(t)仍经第二开关管S2续流，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。
[0037] (2)模式2：光伏同时向蓄电池和负载供电模式
[0038] 当光伏阵列发出功率大于负载功率时，该系统工作在光伏同时向蓄电池和负载供电模式。变换器在每个开关周期同样有3个模态，每个工作模态对应的等效电路如图3所示，图中虚线箭头表示各模态下的电流方向。其主要波形如图4(b)所示，下面分别予以分析。
[0039] 模态1：[t0-t1](等效电路如图3(a)所示)
[0040] t0时刻前，第一开关管S1关断，第二开关管S2导通，第一二极管D1、第二二极管D2均处于关断状态，第一电感L1的电流为0，第二电感L2经第二开关管S2线性放电，且第二电感电流iL2(t)的方向与参考方向相反。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，第二二极管D2关断。第一电感L1和第二电感L2均承受正向电压，分别为Upv和UB。故第一电感电流iL1(t)线性增长，第二电感电流iL2(t)反向线性减小，其表达式分别为式(1)和式(2)。
[0041] 模态2：[t1-t2](等效电路如图3(b)所示)
[0042] 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均导通。第一电感L1承受反向电压，其第一电感电流iL1(t)线性减小，表达式为式(3)。其第一电感电流iL1(t)同时经第二二极管D2支路和第一二极管D1与第二开关管S2串联支路两条支路续流。流过第一二极管D1和第二二极管D2的电流ID1(M2)和ID2(M2)与式(4)和式(5)相同，不在赘述。第二电感L2承受反向电压，第二电感L2的电流iL2(t)反向线性增大，其表达式为式(6)。
[0043] 模态3：[t2-t3](等效电路如图3(c)所示)
[0044] t2时刻，第一电感L1的电流iL2(t)下降至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、第一二极管D1和第二二极管D2均处于关断状态。第二电感L2的电流iL2(t)仍经第二开关管S2保持之前斜率继续反向线性增大，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。
[0045] 正常情况下变换器需要对光伏阵列电压Upv进行调节，以实现光伏阵列的MPPT控制；对输出电压Uo进行调节，以实现输出恒压控制。为了实现光伏阵列的MPPT控制和负载侧恒压控制，本发明所提变换器需要对光伏阵列电压和输出电压同时进行闭环控制，这就需要两个控制量。然而，该变换器中的两个开关管第一开关管S1和第二开关管S2必须互补导通，无法分别调节占空比实现两个输出变量的闭环控制。为此，本发明采用PWM+PFM混合调制策略，同时调节频率fs和占空比D控制变换器光伏阵列电压和输出电压。该控制策略要求第一电感L1工作在电感电流连续模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)，第二电感L2工作在电感电流断续模式(Continuous Conduction Mode,CCM)，对光伏阵列端电压采用PFM闭环控制，而对输出电压采用PWM闭环控制。
[0046] 根据图5所示变换器系统控制框图，分析MPPT控制和输出恒压控制的实现方法。
[0047] 忽略变换器的损耗以及其它寄生参数影响，光伏阵列端电压Upv与频率fs的关系式如下：
[0048]
[0049] MPPT控制下，近似认为其它量不变。则随着Upv的增大，频率fs逐渐增大。该模式的PFM控制框图，如图5(a)所示。图中PFM为频率调制电路，其可以改变PWM调制器的三角载波频率fs，且fs随着PFM电路的输入电压uc1的增大而逐渐减小。
[0050] 忽略变换器的损耗以及其它寄生参数影响，输出电压Uo与占空比D的关系式如下：
[0051]
[0052] 输出恒压控制下，近似认为UB不变。则随着Uo的增大，占空比D逐渐增大。该模式的PWM控制框图，如图5(b)所示。图中d表示占空比的瞬时值。
[0053] 为了验证本发明所提变换器的工作原理和控制策略的正确性，利用Saber仿真软件搭建了一台三端口光伏储能变换器模型。模型中储能元件为理想器件，功率管除了考虑其内阻忽略其他寄生参数影响。其各个端口的参数如表1所示。
[0054] 表1各端口参数
[0055]
[0056] 模式1(光伏、蓄电池联合供电)向模式2(光伏同时向蓄电池和负载供电)切换有两种情况，仿真结果如图6所示：
[0057] (1)光伏阵列输出功率Ppv＝1kW，负载功率Po由1.3kW突变至0.7kW。
[0058] 如图6(a)所示，在100ms时刻前，蓄电池电流iB为2.29A，说明蓄电池处于放电状态；并且光伏阵列输出功率Ppv为1kW(10A×100V)，负载所需功率Po为1.3kW(3.25A×400V)，Ppv小于Po，系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。100ms时，负载所需功率Po发生突变，由1.3kW突变为0.7kW(1.75A×400V)，107ms时，系统达到稳态。此时，光伏阵列输出功率Ppv仍为1kW，Ppv大于Po，并且蓄电池电流iB由2.29A变为-1.89A，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。
[0059] (2)负载功率Po＝1kW，光伏阵列输出功率Ppv由0.7kW突变为1.3kW。
[0060] 如图6(b)所示，在100ms时刻前，蓄电池电流iB为2.22A，说明蓄电池处于放电状态；并且光伏阵列输出功率Ppv为0.7kW(7A×100V)，负载所需功率Po为1kW(2.5A×400V)，Ppv小于Po；系统处于光伏、蓄电池联合供电模式。100ms时，光伏阵列输出功率Ppv发生突变，由0.7kW突变为1.3kW(13A×100V)，111ms时系统达到稳态。此时，负载所需功率Po仍为1kW，Ppv大于Po，并且蓄电池电流iB由2.22A变为-1.85A，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。
[0061] 模式1向模式2切换过程所用时间只有不到11ms，而且切换过程中光伏阵列端电压Upv的超调量很低，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。
[0062] 模式2向模式1切换也有两种情况，仿真结果如图7所示：
[0063] (1)光伏阵列输出功率Ppv＝1kW，负载功率Po由0.7kW突变至1.3kW。
[0064] 如图7(a)所示，在100ms时刻前，蓄电池电流iB为-1.89A说明蓄电池处于充电状态；并且光伏阵列输出功率Ppv为1kW(10A×100V)，负载所需功率Po为0.7kW(1.75A×400V)，Ppv大于Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。100ms时，负载所需功率Po发生突变，由0.7kW突变为1.3kW(3.25A×400V)，106ms时系统达到稳态。此时，光伏阵列输出功率Ppv仍为1kW，Ppv小于Po，并且蓄电池电流iB由-1.89A变为2.29A，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。
[0065] (2)负载功率Po＝1kW，光伏阵列输出功率Ppv由1.3kW突变为0.7kW。
[0066] 如图7(b)所示，在100ms时刻前，蓄电池电流iB为-1.85A说明蓄电池处于充电状态；并且光伏阵列输出功率Ppv为1.3kW(13A×100V)，负载所需功率Po为1kW(2.5A×400V)，Ppv大于Po，系统处于光伏同时向蓄电池和负载供电模式。100ms时刻，光伏阵列输出功率Ppv发生突变，由1.3kW突变为0.7kW(7A×100V)，110ms时系统达到稳态。此时，负载所需功率Po仍为1kW，Ppv小于Po，并且蓄电池电流iB由-1.85A变为2.22A，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。
[0067] 模式2向模式1切换过程所用时间只有不到10ms，而且切换过程中光伏阵列端电压Upv的超调量很低，说明该系统具有很好的快速性和平滑性。
[0068] 从上述仿真结果可以看出，本发明所提出的三端口集成式光伏储能变换器采用PWM+PFM混合调制策略能够实现光伏阵列的最大功率输出和负载电压恒定，且变换器在光伏阵列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。
[0069] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明中所分析的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本发明中所分析的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
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