[發(fā)明專利]應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電場合的三端口變換器系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710909805.1
• 申請日: 2017-09-29
• 公開（公告）號: CN107612332A
• 公開（公告）日: 2018-01-19
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王萍;車延博;張博文
• 申請（專利權(quán)）人: 天津大學(xué)
• 主分類號: H02M3/158
• 分類號: H02M3/158;H02J7/35;G05F1/67
• 代理公司: 天津市北洋有限責(zé)任專利代理事務(wù)所12201
• 代理人: 劉國威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)與儲能單元相結(jié)合的應(yīng)用場合，尤其涉及一種新型的高增益非隔離直流變換器與其對應(yīng)的控制策略。具體講,涉及應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電場合的三端口變換器系統(tǒng)。

背景技術(shù)

近年來，隨著環(huán)境污染和能源危機問題的加劇，以太陽能、風(fēng)能為代表的新能源發(fā)電技術(shù)已成為研究熱點。當外界的光照強度和溫度改變時，單獨由光伏(Photovoltaic,PV)陣列提供的電能輸出往往存在不穩(wěn)定、不連續(xù)的問題。因此，在獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)中必須配備蓄電池等儲能單元來存儲和調(diào)節(jié)電能，以滿足用電負載對供電連續(xù)性和平穩(wěn)性的要求。傳統(tǒng)的PV-battery混合發(fā)電系統(tǒng)需要一個單向直流-直流(DC-DC)變換器連接光伏陣列與負載，一個雙向DC-DC變換器連接蓄電池與負載，系統(tǒng)體積和成本較大，控制相對復(fù)雜。采用一個三端口變換器(Three-Port Converter,TPC)代替兩個獨立變換器，可以同時實現(xiàn)輸入源、儲能單元和負載之間的能量管理，使獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)具有更高功率密度。

根據(jù)各個端口是否隔離，TPC可分為全隔離型、半隔離型與非隔離型。隔離型TPC的各個端口通過高頻變壓器連接，每個端口單元由全橋變換器或半橋變換器組成。隔離型TPC有諸多優(yōu)點，可實現(xiàn)端口電壓寬范圍變化，通過軟開關(guān)技術(shù)提高系統(tǒng)效率，但開關(guān)管的數(shù)量較多，控制策略復(fù)雜。

與隔離型TPC相比，非隔離型TPC有更高的集成度與功率密度。因此，在不需要電氣隔離的應(yīng)用背景中，非隔離型TPC有助于減小系統(tǒng)體積。如今，對于非隔離型TPC的研究存在諸多問題，如：拓撲升壓能力較低；無法構(gòu)成電池充電回路，并不適應(yīng)于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)；光伏、蓄電池、輸出端口不共地，影響系統(tǒng)穩(wěn)定性；對應(yīng)的控制策略需要各個控制器進行競爭，控制復(fù)雜，并且無法對蓄電池進行保護；光伏端口實現(xiàn)最大功率點跟蹤(Maximum Power Point Tracking,MPPT)的同時并不能保證輸出電壓恒定，無法滿足恒壓復(fù)雜需求。

發(fā)明內(nèi)容

為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在針對非隔離型TPC存在的缺點，提出一種新的變換器結(jié)構(gòu)，可以同時實現(xiàn)大比例升壓、三端口共地、蓄電池充電的功能。并進一步提出變換器對應(yīng)的控制策略，使TPC可以安全、可靠的應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，應(yīng)用于獨立光伏發(fā)電場合的三端口變換器系統(tǒng)，由三部分組成：升降壓(Buck-boost)雙向直流變換器、升壓(Boost)直流變換器與開關(guān)電容單元；在Buck-boost雙向直流變換器中，V_pv、i_pv分別為光伏陣列的端口電壓與端口電流，光伏陣列的輸出作為該三端口變換器的輸入施加在光伏陣列的并聯(lián)穩(wěn)壓電容C_pv上，S₁與S₂為串接開關(guān)管，串接后的兩個端點作為Buck-boost雙向直流變換器的輸出端點，S₁與S₂通過電感L₁連接Buck-boost雙向直流變換器的正輸入端，通過電感L₁交替儲存能量、釋放能量，實現(xiàn)雙向升壓、降壓；在Boost直流變換器中，V_B、i_B分別為蓄電池的電壓與電流，蓄電池作為Boost直流變換器的輸入，同時作為Buck-boost雙向直流變換器的輸出，C_B是蓄電池的并聯(lián)穩(wěn)壓電容，開關(guān)管S₃與電感L₂串接后與C_B并接在蓄電池兩端，通過電感L₂交替存儲能量、釋放能量，實現(xiàn)單向升壓；開關(guān)電容單元由二極管D₁、D₂、D₃與電容C₁、C₂、C₃組成，V₀、i₀分別為負載電壓與負載電流，D₁、D₂、D₃C₂、C₃依次串接，負載電阻R并接在串接的C₂、C₃兩端，串接的D₁、D₂與電容C₁并接，D₁、D₂連接點與C₂、C₃連接點之間設(shè)置有短接線。