CN112600419B - 一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法 - Google Patents

一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及新能源发电技术研究领域，具体涉及一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法。包括与发电装置相连的发电端，与负载相连的负载端，与蓄电池相连的储能端，与所述发电端相连的直流侧支撑电容，发电端通过第一、第二Buck/Boost变换器与所述储能端相连；所述发电端与移相全桥变换器的输出串联接入负载端。本发明的三个端口分别连接光伏电池、储能蓄电池和负载。其中，光伏电池产生的大部分能量可以直接通过整流二极管汇入负载，无需进行复杂的电力变换，获得了效率的显著提升。

Description

一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法
技术领域
本发明涉及新能源发电技术研究领域，具体涉及一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法。
背景技术
传统的化石能源已经越来越难以满足人类社会的发展需求，能源生产和消费革命已刻不容缓。推进能源生产和消费革命，构建清洁低碳、安全高效的能源体系，已成为当下社会关注的焦点。以太阳能，风能、波浪能、地热能等为代表的可再生能源的开发和利用成为未来能源供应的重要手段。然而，可再生能源在进行单独供电时，均存在发电功率不稳定，间歇性大，受气候影响较大等弊端。以光伏发电为例，其发电功率会随着光照、温度等环境因素的变化而呈现出间歇性、随机性等特点。为了保证供电系统的安全性和稳定性，提高能源的利用率，通常采用多能源联合供电的方式，在发电系统中配置一定的储能装置，实现发电系统的功率平衡。
三端口变换器由于具有功率密度高、集成度高，控制性能好等优点，广泛应用于新能源发电系统，航天器供电系统、便携式多能源供电系统以及新能源汽车等领域。以光伏发电系统为例，通过三端口变换器将太阳能电池、储能蓄电池、负载进行连接，不仅能够实现负载的安全稳定供电，而且能够实现光伏电池最大功率获取和蓄电池的充放电控制。然而，在此过程中光伏电池产生的能量均需通过必要的电力变换才能传输到负载上，在此过程中不可避免的存在能量损耗，降低了整个发电系统的效率。
因此，本发明公开了一种能够保证负载电压稳定且变换效率高的非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法以解决现有技术存在的不足。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构及其控制方法。
本发明的技术方案为：
本发明提供了一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构，包括与发电装置相连的发电端，与负载相连的负载端，与蓄电池相连的储能端，与所述发电端相连的直流侧支撑电容，发电端通过第一、第二Buck/Boost变换器与所述储能端相连；所述发电端与移相全桥变换器的输出串联接入负载端。
进一步，所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器、高频变压器以及副边不控整流电路，同时复用移相全桥变换器原边桥臂的开关管，构成双重Buck/Boost变换器。
进一步，所述原边全桥变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管。
进一步，所述不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。
进一步，所述第一整流管、第二整流管、第一开关管、第二开关管串联成第一桥臂，所述第三整流管、第四整流管、第三开关管、第四开关管串联成第二桥臂。
进一步，所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间另一端连接在第三开关管与第四开关管之间的高频变压器原边、一端连接在第一整流管与第二整流管之间另一端连接在第三整流管与第四整流管之间的高频变压器副边。
进一步，所述第一Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端；所述第二Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端。
进一步，所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容。
一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中相应控制器的输出设置为0；
S2.获取移相角控制信号
Figure BDA0002804861250000031
将电压传感器VMA采集所得的负载电压值vdc与设置的电压值
Figure BDA0002804861250000032
进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入控制器Gvdc，将其输出进行限幅后得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure BDA0002804861250000033
S3.获取最大功率点处的给定电压值
Figure BDA0002804861250000034
采集电压传感器VMC可得到光伏电池电压值vpv，采集电流传感器CMA可得到光伏电池的输出电流值ipv，而后利用MPPT算法计算得出光伏电池在最大功率点处的给定电压值
Figure BDA0002804861250000035
S4.获得光伏电池电压控制器输出信号dmpp，将采集到的光伏电池电压值vpv与经过MPPT算法所得的光伏电池电压给定值
Figure BDA0002804861250000036
作差，其偏差Δvpv送入控制器Gvpv，将其输出进行限幅后得到光伏电池电压控制器输出信号dmpp；
S5.获得占空比控制信号d，采集电压传感器VMB可得到蓄电池电压值vb，采集电流传感器CMB可得到蓄电池的输出电流值ib，将采集到的蓄电池输出电流值ib与设定电流保护值ibPro进行比较，将它们的偏差信号Δib输入至控制器Gib，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电流控制器输出信号dipro；将采集到的蓄电池电压值vb与设定的保护电压值vbPro进行比较，将它们的偏差信号Δvb输入至控制器Gvb，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电压控制器输出信号dvpro；将得到的三个信号dmpp、dipro和dvpro送入取大环节，将其输出的最大值作为移项全桥变换器的第二开关管和第四开关管的占空比控制信号d；
S6.驱动第一开关管与第二开关管，将得到的d作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为第一桥臂载波信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第二开关管，第一开关管与第二开关管互补导通，第一开关管的占空比为(1-d)，将得到d作为调制信号；
(7)驱动第三开关管与第四开关管，将第一桥臂载波信号的滞后角度φ，同样将d作为调制信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，第三开关管的占空比为(1-d)；
(8)重复运行，在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(7)步骤，否则退出运行状态。
本发明所达到的有益效果为：
本发明的三个端口分别连接光伏电池、储能蓄电池和负载。其中，光伏电池产生的大部分能量可以直接通过整流二极管汇入负载，无需进行复杂的电力变换，获得了效率的显著提升。同时，功率变换器仅作为功率补偿装置，所传输的功率仅占总功率的一小部分，因而能够有效减小功率变换器的体积，提高系统的功率密度。同时，通过本发明所提出控制方法，不仅能够保证负载的安全稳定运行，而且能够实现蓄电池充电电流保护、充电电压保护以及光伏电池最大功率获取之间的协调，即当光伏电池输出功率较低或者是负载较重时，确保光伏电池工作在最大功率点。当光伏电池输出功率过高或者是负载过轻时为了防止多余的能量对蓄电池产生过充，对蓄电池的充电电流和充电电压加以限制，实现蓄电池的充电保护。
附图说明
图1为本发明提出的非隔离型三端口变换器的拓扑结构图。
图2为本发明所提出的非隔离型三端口变换器调制策略示意图。
图3为本发明所提出的非隔离型三端口变换器控制策略示意图。
图4是本发明控制方法图。
图中，ES表示储能蓄电池；vpv表示光伏电池电压；vb表示蓄电池电压；
vdc表示负载电压；vo表示的是移相全桥变换器副边整流桥的输出电压，用于补偿负载电压vdc和光伏电压vpv的差值；L1和L2为原边集成的双重Buck/Boost变换器的电感；C1为光伏电池端口的直流侧支撑电容；Lo和Co为移相全桥变换器的滤波电感和滤波电容；S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管；D1、D2、D3、D4分别为第一、第二、第三、第四整流管；高频变压器的原边、副边的绕组匝数比为N1/N2；电流iL1、iL2为对应的电感L1、L2上的电流；电流ip为高频变压器原边的绕组电流；VMA、VMB、VMC表示电压传感器，CMA、CMB表示电流传感器；PVC表示光伏电池电压控制器、BVC表示蓄电池充电电压控制器、BCC表示蓄电池充电电流控制器；LVC表示负载电压控制器；Gvdc、Gvpv、Gib、Gvb。表示控制器。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1所示，本发明提供了一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构，包括与发电装置相连的发电端，与负载相连的负载端，与蓄电池相连的储能端，与所述发电端相连的直流侧支撑电容，发电端通过第一、第二Buck/Boost变换器与所述储能端相连；所述发电端与移相全桥变换器的输出串联接入负载端。
进一步，所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器、高频变压器以及副边不控整流电路，同时复用移相全桥变换器原边桥臂的开关管，构成双重Buck/Boost变换器。所述原边全桥变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管。所述不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管。所述第一整流管、第二整流管、第一开关管、第二开关管串联成第一桥臂，所述第三整流管、第四整流管、第三开关管、第四开关管串联成第二桥臂。
进一步，所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间另一端连接在第三开关管与第四开关管之间的高频变压器原边、一端连接在第一整流管与第二整流管之间另一端连接在第三整流管与第四整流管之间的高频变压器副边。
进一步，所述第一Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端；所述第二Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端。
进一步，所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容。
进一步，本发明还包括检测控制系统，所述检测控制系统包括工控机、检测负载电压值的电压传感器VMA、检测光伏电池电压的电压传感器VMC、检测光伏输出电流的电流传感器CMA、检测蓄电池输出电流的电流传感器CMB、检测蓄电池电压的电压传感器VMB、运行在工控机上用来控制光伏电池电压的光伏电池电压控制器(PVC)、保护蓄电池充电电压不超过所设置的限定值vbPro的蓄电池充电电压控制器(BVC)、保护蓄电池充电电流不超过所设置的限定值ibPro的蓄电池充电电流控制器(BCC)、控制负载电压的负载电压控制器(LVC)、控制器Gvdc、控制器Gvpv、控制器Gib、控制器Gvb，其中所述控制器Gvdc、控制器Gvpv、控制器Gib、控制器Gvb均表示实际的PI控制器，将得到的偏差信号进行运算，得到所需的控制信号。
本发明采取移相控制+占空比的组合调制策略，在忽略死区时间的情况下，该三端口变换器的调制策略如图2所示。同一桥臂第一开关管(第三开关管)和第二开关管(第四开关管)互补，定义桥臂上的第二开关管(第四开关管)的占空比为d，第一桥臂与第二桥臂之间的移相角为
Figure BDA0002804861250000071
如图3所示，本发明所提供的拓扑结构的控制方法说明如下：在实际工作过程中，要确保负载能够连续安全稳定运行，即负载电压始终保持稳定。负载电压由负载电压控制器(LVC)进行控制，通过调节桥臂间移相角控制信号φ来调节整流桥的输出电压，补偿负载电压和光伏电池电压的差值，确保负载电压的稳定。在系统正常工作时，若光伏电池端输出能量不足，蓄电池端口将释放能量。而当光伏电池端口输出能量过剩时，蓄电池端口吸收能量。对于光伏电池端口，期望其最大可能地工作在最大功率点。对于蓄电池端口，需要对其充电电流以及充电电压加以保护，那么此时光伏电池应退出最大功率获取状态。因而需要配置三个控制器，即光伏电池电压控制器(PVC)，将光伏电池电压vpv控制在MPPT算法给出的最大功率点电压
Figure BDA0002804861250000072
蓄电池充电电压控制器(BVC)，保护蓄电池充电电压不超过所设置的限定值vbPro；蓄电池充电电流控制器(BCC)，保护蓄电池充电电流不超过所设置的限定值ibPro；由于光伏电池的最大功率获取和蓄电池的充电保护均是通过调节占空比d来实现的，因而要实现系统的控制目标，占空比d必须根据系统的工作状态进行切换，本专利采用多个控制器并行竞争的控制策略，实际的占空比d由控制器竞争的结果决定，实现了占空比d的平滑过渡，不仅可以实现不同工作模式的自由切换，而且切换过程平滑，动态特性良好。其中，移相角控制信号
Figure BDA0002804861250000073
在调节过程中应始终小于占空比调制信号d。
如图4所示，一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构的控制方法，包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中相应控制器的输出设置为0；
S2.获取移相角控制信号
Figure BDA0002804861250000081
将电压传感器VMA采集所得的负载电压值vdc与设置的电压值
Figure BDA0002804861250000082
进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入控制器Gvdc，将其输出进行限幅后得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure BDA0002804861250000083
S3.获取最大功率点处的给定电压值
Figure BDA0002804861250000084
采集电压传感器VMC可得到光伏电池电压值vpv，采集电流传感器CMA可得到光伏电池的输出电流值ipv，而后利用MPPT算法计算得出光伏电池在最大功率点处的给定电压值
Figure BDA0002804861250000085
S4.获得光伏电池电压控制器输出信号dmpp，将采集到的光伏电池电压值vpv与经过MPPT算法所得的光伏电池电压给定值
Figure BDA0002804861250000086
作差，其偏差Δvpv送入控制器Gvpv，将其输出进行限幅后得到光伏电池电压控制器输出信号dmpp；
S5.获得占空比控制信号d，采集电压传感器VMB可得到蓄电池电压值vb，采集电流传感器CMB可得到蓄电池的输出电流值ib，将采集到的蓄电池输出电流值ib与设定电流保护值ibPro进行比较，将它们的偏差信号Δib输入至控制器Gib，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电流控制器输出信号dipro；将采集到的蓄电池电压值vb与设定的保护电压值vbPro进行比较，将它们的偏差信号Δvb输入至控制器Gvb，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电压控制器输出信号dvpro；将得到的三个信号dmpp、dipro和dvpro送入取大环节，将其输出的最大值作为移项全桥变换器的第二开关管和第四开关管的占空比控制信号d；
S6.驱动第一开关管与第二开关管，将得到的d作为调制信号，采用幅值为VM(VM为三角波的幅值)的三角波作为第一桥臂载波信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第二开关管，第一开关管与第二开关管互补导通，第一开关管的占空比为(1-d)，将得到d作为调制信号；
(7)驱动第三开关管与第四开关管，将第一桥臂载波信号的滞后角度
Figure BDA0002804861250000091
(滞后角度
Figure BDA0002804861250000092
即为移相角控制信号)，同样将d作为调制信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，第三开关管的占空比为(1-d)；
(8)重复运行，在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(7)步骤，否则退出运行状态。
以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构，其特征在于：包括与发电装置相连的发电端，与负载相连的负载端，与蓄电池相连的储能端，与所述发电端相连的直流侧支撑电容，发电端通过第一、第二Buck/Boost变换器与所述储能端相连；所述发电端与移相全桥变换器的输出串联接入负载端；
所述移相全桥变换器包括原边全桥变换器、高频变压器以及副边不控整流电路，同时复用移相全桥变换器原边桥臂的开关管，构成双重Buck/Boost变换器；
所述原边全桥变换器包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管；
所述不控整流电路包括第一整流管、第二整流管、第三整流管、第四整流管；
所述第一整流管、第二整流管、第一开关管、第二开关管串联成第一桥臂，所述第三整流管、第四整流管、第三开关管、第四开关管串联成第二桥臂；
所述高频变压器包括一端连接在第一开关管与第二开关管之间另一端连接在第三开关管与第四开关管之间的高频变压器原边、一端连接在第一整流管与第二整流管之间另一端连接在第三整流管与第四整流管之间的高频变压器副边；
所述第一Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端；所述第二Buck/Boost变换器一端与所述储能端相连，另一端连接到发电端；
所述移相全桥变换器还包括滤波电感、滤波电容。
2.一种非隔离型三端口变换器的拓扑结构的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.系统初始化，首先在系统上电初始阶段，进行与系统控制相关的软件和硬件初始化工作，将程序中相应控制器的输出设置为0；
S2.获取移相角控制信号
Figure FDA0003794739460000021
将电压传感器VMA采集所得的负载电压值vdc与设置的电压值v* dc进行比较，将它们的偏差信号Δvdc送入控制器Gvdc，将其输出进行限幅后得到最终的桥臂间移相角控制信号
Figure FDA0003794739460000022
S3.获取最大功率点处的给定电压值v* pv，采集电压传感器VMC可得到光伏电池电压值vpv，采集电流传感器CMA可得到光伏电池的输出电流值ipv，而后利用MPPT算法计算得出光伏电池在最大功率点处的给定电压值v* pv；
S4.获得光伏电池电压控制器输出信号dmpp，将采集到的光伏电池电压值vpv与经过MPPT算法所得的光伏电池电压给定值v* pv作差，其偏差Δvpv送入控制器Gvpv，将其输出进行限幅后得到光伏电池电压控制器输出信号dmpp；
S5.获得占空比控制信号d，采集电压传感器VMB可得到蓄电池电压值vb，采集电流传感器CMB可得到蓄电池的输出电流值ib，将采集到的蓄电池输出电流值ib与设定电流保护值ibPro进行比较，将它们的偏差信号Δib输入至控制器Gib，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电流控制器输出信号dipro；将采集到的蓄电池电压值vb与设定的保护电压值vbPro进行比较，将它们的偏差信号Δvb输入至控制器Gvb，将其输出进行限幅后得到蓄电池充电电压控制器输出信号dvpro；将得到的三个信号dmpp、dipro和dvpro送入取大环节，将其输出的最大值作为移相全桥变换器的第二开关管和第四开关管的占空比控制信号d；
S6.驱动第一开关管与第二开关管，将得到的d作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为第一桥臂载波信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第二开关管，第一开关管与第二开关管互补导通，第一开关管的占空比为(1-d)，将得到d作为调制信号；
(7)驱动第三开关管与第四开关管，将第一桥臂载波信号的滞后角度
Figure FDA0003794739460000031
同样将d作为调制信号，产生占空比为d的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器的第四开关管，第三开关管与第四开关管互补导通，第三开关管的占空比为(1-d)；
(8)重复运行，在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(7)步骤，否则退出运行状态。
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