[发明专利]应用于独立光伏发电场合的三端口变换器系统

说明书

技术领域

本发明涉及独立光伏发电系统与储能单元相结合的应用场合，尤其涉及一种新型的高增益非隔离直流变换器与其对应的控制策略。具体讲,涉及应用于独立光伏发电场合的三端口变换器系统。

背景技术

近年来，随着环境污染和能源危机问题的加剧，以太阳能、风能为代表的新能源发电技术已成为研究热点。当外界的光照强度和温度改变时，单独由光伏(Photovoltaic,PV)阵列提供的电能输出往往存在不稳定、不连续的问题。因此，在独立光伏发电系统中必须配备蓄电池等储能单元来存储和调节电能，以满足用电负载对供电连续性和平稳性的要求。传统的PV-battery混合发电系统需要一个单向直流-直流(DC-DC)变换器连接光伏阵列与负载，一个双向DC-DC变换器连接蓄电池与负载，系统体积和成本较大，控制相对复杂。采用一个三端口变换器(Three-Port Converter,TPC)代替两个独立变换器，可以同时实现输入源、储能单元和负载之间的能量管理，使独立光伏发电系统具有更高功率密度。

根据各个端口是否隔离，TPC可分为全隔离型、半隔离型与非隔离型。隔离型TPC的各个端口通过高频变压器连接，每个端口单元由全桥变换器或半桥变换器组成。隔离型TPC有诸多优点，可实现端口电压宽范围变化，通过软开关技术提高系统效率，但开关管的数量较多，控制策略复杂。

与隔离型TPC相比，非隔离型TPC有更高的集成度与功率密度。因此，在不需要电气隔离的应用背景中，非隔离型TPC有助于减小系统体积。如今，对于非隔离型TPC的研究存在诸多问题，如：拓扑升压能力较低；无法构成电池充电回路，并不适应于独立光伏发电系统；光伏、蓄电池、输出端口不共地，影响系统稳定性；对应的控制策略需要各个控制器进行竞争，控制复杂，并且无法对蓄电池进行保护；光伏端口实现最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking,MPPT)的同时并不能保证输出电压恒定，无法满足恒压复杂需求。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明旨在针对非隔离型TPC存在的缺点，提出一种新的变换器结构，可以同时实现大比例升压、三端口共地、蓄电池充电的功能。并进一步提出变换器对应的控制策略，使TPC可以安全、可靠的应用于独立光伏发电系统。为此，本发明采用的技术方案是，应用于独立光伏发电场合的三端口变换器系统，由三部分组成：升降压(Buck-boost)双向直流变换器、升压(Boost)直流变换器与开关电容单元；在Buck-boost双向直流变换器中，V_pv、i_pv分别为光伏阵列的端口电压与端口电流，光伏阵列的输出作为该三端口变换器的输入施加在光伏阵列的并联稳压电容C_pv上，S₁与S₂为串接开关管，串接后的两个端点作为Buck-boost双向直流变换器的输出端点，S₁与S₂通过电感L₁连接Buck-boost双向直流变换器的正输入端，通过电感L₁交替储存能量、释放能量，实现双向升压、降压；在Boost直流变换器中，V_B、i_B分别为蓄电池的电压与电流，蓄电池作为Boost直流变换器的输入，同时作为Buck-boost双向直流变换器的输出，C_B是蓄电池的并联稳压电容，开关管S₃与电感L₂串接后与C_B并接在蓄电池两端，通过电感L₂交替存储能量、释放能量，实现单向升压；开关电容单元由二极管D₁、D₂、D₃与电容C₁、C₂、C₃组成，V₀、i₀分别为负载电压与负载电流，D₁、D₂、D₃C₂、C₃依次串接，负载电阻R并接在串接的C₂、C₃两端，串接的D₁、D₂与电容C₁并接，D₁、D₂连接点与C₂、C₃连接点之间设置有短接线。