（电气工程专业论文）基于edlc储能的独立光伏发电系统功率变换器的建模研究.pdf

摘要 摘要 作为一种新能源技术，独立光伏发电系统在世界范围内得到了极大的发展。但是，其输出的功率和其 他新能源发电系统一样，存在不连续性。因此需要大容量储能装置来稳定输出功率。目前，使用安全可靠、 经济环保、快速响应的超级电容器储能模块取代成本高、动态响应差、对环境有污染的传统蓄电池技术已 经成为研究热点。进而推动独立光伏发电系统向前发展。 在独立光伏发电系统中，功率变换器将超级电容器模块、太阳能电池阵列、负载连接起来，担负着向 负载传输合适的功率，根据实际情况控制e d l c 模块充放电等任务，对提高独立光伏发电系统的转换效率 和能量利用率，增强储能系统的可靠性有着重要的意义。本文的主要内容就是设计1 0 0 0 w 独立光伏发电 系统功率变换器，建立其交流小信号模型，并以此为依据设计系统补偿网络，为下一步研究提供理论基础。 首先，比较目前通用的独立系统功率变换器的特点及其研究情况，在了解独立光伏发电系统结构及特 点的基础上确定采用隔离双向多端口变换器作为本文独立系统变换器。此外通过对太阳能电池板光伏发电 原理与e d l c 储能原理介绍，确定独立系统中这两个部分的参数，建立起相应的数学模型。 其次，根据独立发电系统的特点，提出了三端口半桥隔离双向d c d c 变换器作为独立系统变换器， 并分析了其基本工作原理，同时比较了几种常用的双向d c d c 变换器控制方法优缺点，最后确定采用移 相加p w m 法控制功率变换器工作。 + 然后，采用状态空间平均法求取变换器系统平均数学模型，再采用用简化状态平均空间简化、线性化 系统后，带入主电路系统参数，得到系统小信号开环传递函数。随后，在前面分析的基础上，设计变换器 系统控制方案，将控制任务分配到各个子系统完成，并以此设计变换器控制系统。最后，用 m a t l a b s i m u l i n k 仿真分析验证控制系统的动态性能。最后对系统整个功率变换器进行仿真验证。 【关键字】独立光伏发电系统，超级电容器，隔离双向d c d c 变换器，双有源双向d c d c 变换器，简 化空间状态平均法 w o r l d h o w e v e r , s o l a re n e r g yh a sa ni n t e r m i t t e n tn a t u r e ，w h i c hn e c e s s i t a t e sae l e c t f i c a le n e r g ys t o r a g ec a p a b l eo f l o n g - t e r me n e r g yb u f f e r i n g n o w a d a y s ，i th a sb e e nal r e n dt h a tt h eu l t r a c a p a c i t o r ( e d l c ) ，t h es a f ea n dr e l i a b l e ， e c o n o m i c ，e n v i r o n m e n t f r i e n d l y , a n dq u i c kd y n a m i cr e s p o n s ed e v i c e s ，r e p l a c e st h er o l eo fb a t t e r yi ns t a n da l o n e s y s t e ma st h ee l e c t r i c a le n e r g ys t o r a g eu n i t b e c a u s e 豳t h ec o n v e n t i o n a ld e v i c e s b a t t e r yh a ss l o wd y n a m i c r e s p o n s e ，h i 曲m a t e r i a lc o s t , a n dn e e d sf r e q u e n tm a i n t e n a n c e t h i st r e n dw i l li m p r o v es t a n d a l o n ep vs y s t e m t e c h n o l o g yt oah i g h e rl e v e l i nas t a n da l o n ep vg e n e r a t o rs y s t e m ，t h ep o w e rc o n v e r t e rp r o v i d e st h ep o r t st o i n t e r f a c i n gp va r r a y , l o a d a n de d l cm o d u l e ，m a k es u r et h a ta f f o r d e dt h ee n e r g yc o n v e a e db yt h ep v a r r a yh a dt r a n s f e r r e di n t ot h el o a d w h e ni th a sd e m a n d s ；c h a r g eo rd i s c h a r g et h ee d l cm o d u l ea c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c ec o n d i t i o n s , e t c s ot h e p o w e rc o n v e r t e rm e a n sal o tt oi m p r o v et h es y s t e mt r a n s f e rr a t i o ，m a k et h eb e s tu s eo ft h es y s t e ma v a i l a b l e r e s o u r c e s 。e n h a n c e st h es y s t e mr e l i a b i l i t y t l l i sp a p e rf o c u s e so nt h ed e s i g n i n go f10 0 0w s t a n d a l o n ep vs y s t e m p o w e rc o n v e r t e r ，e s t a b l i s h i n gi t ss m a l l s i g n a lm o d e l i n g , a n dt h e nd e s i g n i n gt h es y s t e mc o n t r o l l e r , p r o v i d i n gt h e t h e o r yb a s i sf o rt h ef u r t h e ra p p l i c a t i o n f i r s t , a f t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e s e a r c h e so fp o w e rc o n v e r ts t a g ei ns t a n da l o n es y s t e m , t h i s p a p e rp r e f e r st h em u l t i p o r ti s o l a t i o nb i - d i r e c t i o nt o p o l o g y m e a n w h i l e ，t h i sc h a p t e ra l s oi n t r o d u c e st h e o p t i c a l v o l t a g et h e o r yi np va r r a ya n dt h eo p e r a t i n gp r i n c i p l eo f e d l c ，i d e n t i f i e st h e i rc h a r a c t e r s , a n dg e t st h e i r m a t h e m a t i cm o d e l i n g t h e nat h r e e - p o r tt r i p l e - h a l f - b r i d g eb i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e ri sp r o p o s e di nt h i sp a p e ra st h es t a n da l o n e s y s t e mc o n v e r t e rt o p o l o g y a f t e rl i s t i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h ec o m m o nu s e dc o n t r o lm e t h o d s ， t h i sp a p e rc h o o s e st h ep w m - p h a s es h i f tc o n t r o l l i n gm e t h o d a f t e rt h a t , t h es y s t e ma v e r a g em a t h e m a t i cm o d e l i n gb yt h es t a t e - s p a c ea v e r a g em e t h o di sm a d e ，t h e nt h i s m o d e l i n gw i l lb es i m p l i f i e db ys i m p l i f i e ds t a t e - s p a c e a v e r a g em e t h o d ，a n dc a l c u l a t e st h es y s t e mm a i nc i r c u i t c h a r a c t e r s ，f i n a l l yg e t st h es y s t e ms m a l l - s i g n a l a f t e rt h a t , m a k e st h ec o n t r o l l i n gp a t t e r n sf o r 铂ee n t i r es y s t e m , d i s t r i b u t e si t st a s ki n t od i f f e r e n t p i e c e s f o rd i f f e r e n t s u b s y s t e m v e r i f yt h ed e s i g n i n gc o n t r o l l e rb y m a t i a b s m u i n ka tl a s t k e yw o r d ：s t a n d a l o n ep vs y s t e m , u l t r a c a p a c i t o r ( e d l c ) ，b i - d i r e c t i o n a li s o l a t i o nd c d c c o n v e r t e r , d u a l 。a c t i v e - b i d i r e c t i o n a lc o n v e r t e r s i m p l i f i e ds t a t e - s p a c e - a v e r a g em e t h o d i i 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i e jj 录i i i 第一章绪论。1 1 1课题研究背景及意义1 1 2光伏发电原理1 1 3独立光伏发电系统2 1 4e d l c 储能3 1 4 1 e d l c 特点3 1 4 2 其他储能技术概述4 1 5独立光伏系统功率变换器概述4 1 6论文主要研究内容6 第二章独寺光伏发电系统功率变换器8 2 1独立光伏发电系统的组成8 2 2独立光伏发电系统功率变换器工作原理9 2 2 1 独立光伏发电系统功率变换器拓扑结构9 2 2 2双有源双向d c d c 变换器工作原理1 0 2 2 3独立光伏系统功率变换器工作原理1 l 2 3系统功率变换器控制方法1 3 2 3 1 移相控制法( p s 法) 13 2 3 2伏秒平衡p w m 控制法1 4 2 3 3 p w m 加移相控制法( p p s 法) 1 6 2 4本章小结1 7 第三章独立光伏发电系统功率变换器建模1 8 3 1建模方法简介1 8 3 2独立光伏发电系统功率变换器特性分析1 8 3 2 1 等效电感电流计算19 3 2 2 传输有功功率计算2 1 3 2 3主电路传输有功功率计算2 2 3 2 4 双向变换器有功无功的关系2 3 3 3系统功率变换器简化空间状态平均数学模型2 4 3 3 1 子系统状态空间平均状态方程建立2 4 3 3 2子系统简化的状态空间平均状态方程的建立。2 7 3 3 3 系统功率变换器主电路简化的状态空间平均模型的建立3 1 3 4建立系统功率变换器的小信号状态方程3 3 3 4 1建立子系统小信号状态方程与输出方程3 3 3 4 2建立主电路小信号状态方程与输出方程3 5 i i i 目录 3 5本章小结3 7 第四章独立光伏发电系统功率变换器控制系统设计3 8 4 1开关调节系统简述3 8 4 2独立光伏系统功率变换器控制方案3 9 4 3独立光伏发电系统功率变换器控制系统设计4 3 4 3 1 h b 2 - h b 3 子系统控制器设计( 占空比环补偿网络) 4 3 4 3 2 h b l 一h b 2 子系统控制器设计( 仍2 移相环补偿网络) 4 6 4 3 3 h b l - h b 3 子系统控制器设计( 仍3 移相环补偿网络) 4 9 4 4独立光伏发电系统功率控制器仿真5 2 4 5本章小结5 4 第五章结论5 5 5 1论文工作成果5 5 5 2存在不足及工作进一步展望5 5 参考文献5 7 致谢5 9 作者在校期间发表论文清单。6 0 i v 1 是 机 排 能 力 于 安 电 1 见 能 料 输 时 以 东南大学硕士学位论文 p n 结 1 3 独立光伏发电系统 图1 - 1 太阳能电池等效电路1 2 1 独立光伏发电系统主要功能是将太阳能电池发出的直流电转换为符合负载需要的交流电，是太阳能发 电系统的最基本形式，又称为太阳能发电原型系统n 1 ，系统结构如图1 2 所示。可以看到，典型的独立光 伏发电系统由太阳能电池板、功率变换器、储能装置构成。变换器的输出一般可以直接连接到本地负载， 若用户为交流负载，那么还需经d c a c 逆变器，把直流功率转化为交流功率，再传送至负载。 图1 2 独立光伏发电系统结构图 由于太阳能电池阵列的输出功率并不稳定，易受周围环境因素的改变而产生波动，需要设置储能装置 来调节太阳能电池输出功率与用户需求之间的能量差额。当太阳能电池阵列的发电量大于本地负载的用电 量时，除供负载使用的一部分电能外，多余的部分向储能装置充电；当太阳能电池阵列的发电量小于负载 用电量时，不足的电能由储能装置释放电能来补足：当在夜晚或阴雨天气时，太阳能电池阵列发电量很小， 或处于关闭状态，此时负载用电完全来自于储能装置释放的电能。 独立光伏发电系统的核心是功率变换器。功率变换器的输出可分为电压源和电流源，而用户负载多为 一些家用电器，对输出电压有一定得要求，因此这种独立光伏发电系统常常被设计成电压源系统，变换器 的输出可以被视作以恒定的电压。通常独立光伏发电系统将用户端视作一具有恒定阻抗值的负载。一般地， 2 第一章绪论 对于储能装置来说有两种接入方式，一种是与光伏电池输出直流母线直接相连，采用独立充放电电路，如 文献 1 1 所述；另一种是与功率变换器相连接，根据系统实际情况通过变换器控制其充放电。第一种结构 广泛应用于便携式产品中，第二种结构系统功率变换器需要设计成多输入结构，便于统一管理系统功率。 对于独立光伏发电系统来说，对功率变换器的要求就是集中控制、损耗少、体积小，可靠性高，因而本文 选多端口变换器作为独立光伏发电系统功率变换器。 1 4e d l c 储能 在本文中所提到的独立光伏发电系统，将采用超级电容器( e d l c ) 作为储能装置。超级电容器 ( s u p e r - c a p a c i t o r ) 并非新技术，是2 0 世纪七八十年代发展起来的一种介于电池和传统电容器之间的新型 储能器件。常见的超级电容器大多是双电层结构( 见图1 3 ) ，利用电极和电解液之间形成的界面双电层电 容来存储电能，因此这类超级电容器也成为e d l c ( e l e c t r i c a ld o u b l el a y e r c a p a c i t o r ) 。 电解液界面 1 4 1e d l c 特点 正 极 电 解 液 负 极 图1 3 双电层电容器结构图 同传统的电容器相比，超级电容器电容量较大，一般可达几十法，但是其等效电阻却很小。超级电容 器的优点和缺点分析如下口： ( 1 )体积小、重量轻、容量大。超级电容器的容量范围为0 1 、 6 0 0 0f ，比同体积的电解电容器容量大 2 0 0 0 - - - , 6 0 0 0 倍。 ( 2 )功率密度高。超级电容器能提供瞬时的大电流，在短时间内可以达到几百到几千安培，其功率密 度是电池的1 0 - - 1 0 0 倍，可达到1 0 1 0 3 w k g 左右。 ( 3 )充放电效率高，大电流能量循环效率 1 9 0 9 6 。 ( 4 )检测方便。剩余电量可直接由e = o 5 x c x u 2 计算得到。 ( 5 )循环使用寿命长。充放电过程通常不会对电极材料的结构产生影响，深度充放电循环使用次数可 达1 0 。次以上。 ( 6 )温度范围宽，达- 4 0 - + 7 0 。电极材料反应速率受温度影响不大。 ( 7 )免维护，对环境友善。超级电容器所用材料是安全无毒，且长时间内放置不会对参数有影响。 超级电容器的不足之处有以下几点： ( 1 ) 在充放电时其端电压变化范围很大： ( 2 ) 其单体端电压很低，单体电容器额定电压一般不足3 v ，必须通过若干单体超级电容器串并联组合构 成超级电容器模块才能满足实际应用系统对电压等级的需要： 3 oooo熨嫩承裔 东南大学硕士学位论文 ( 3 ) 目前超级电容器的能量密度较低，约为锂离子蓄电池能量密度的三分之一左右，因此在实际使用中 需要较多超级电容器模块并联达到系统的储能需求。 从上面的介绍可以看出，超级电容模块动态性能优势十分明显，且安全可靠，经济环保，适合频繁波 动的负载。但是其能量密度较小，单体端电压较低，需大量串并联才能达到一般系统的储能要求。 1 4 2 其他储能技术概述 参考文献【5 】比较了各种储能技术各种特性指标。由此可知，虽然超导磁储能( s e m s ) 功率密度高、 转换效率高、响应快、循环使用寿命长，但是其体积大、重量重、成本高；尽管飞轮储能转换效率高( 约 9 0 ) ，但其储能成本最大；蓄电池体积小，但其功率密度低，循环使用寿命少( 低于3 0 0 0 次) ；压缩空气 和抽水蓄能虽然成本很低，但其转换效率很低( 约7 0 ) ，且受地形因素、建设周期的影响，实际应用会 有一定的限制。 鉴于独立光伏系统的特点，上述的各种储能技术并不适合用做独立光伏系统的储能装置。与这些储能 技术进行对比分析可知，超级电容器循环使用寿命长、功率密度高、充放电效率高、响应时间快、安全可 靠，维护方便、成本适中，大量单体超级电容器串并联组成超级电容器模块十分适合独立光伏发电系统的 储能环节的实际要求，同时由于超级电容器的响应速度快，系统动态性能会得到很大的提高。而且与先进 电力电子技术的结合，超级电容器储能的独立光伏系统将得到更加光明的应用前景。 1 5 独立光伏系统功率变换器概述 独立光伏发电系统功率变换器将不同电压等级的太阳能电池、负载、储能单元连接起来，将太阳能电 池输出的直流电转换成合适的电能供用户使用，同时根据实际情况控制储能装置充放电，调节太阳能电池 阵列的输出功率与用户需求之间的差额。因此，变换器是系统的关键部分，通常，对功率变换器的要求也 较高： 1 ) 要求具有较高的效率 由于太阳能电池与储能装置受机械和材料的限制，进一步提高这两者的转换效率比较困难。为了最大 化利用太阳能电池与储能装置，提高电能利用率，就必须提高变换器效率，降低损耗，减小成本。 2 ) 要求具有较高的可靠性 独立光伏发电系统一般用于偏远地区，这些地方运行维护及维修条件不是很完善，有些处于无人值守 状态，这就要求变换器能够长时间的可靠运行。 3 ) 要求直流输入有较宽的范围 在本文中用超级电容器组作为系统储能装置，其端电压随着充放电而显著变化。由于功率变换器的一 输入端将超级电容器接入功率变换器，因此要求变换器必须在较大的直流输入范围内保证正常工作，并维 持输出电压稳定。 4 ) 用户端与电池端需有效地隔离 独立光伏系统用作居民供电电源时，为减小电源与负载之间的电磁干扰( e ) ，同时也为安全起见， 要求采取有效措施，对电源与用户端做电气隔离。 独立光伏发电系统最常用的功率变换器主要是d c d c 这种形式。d c d c 变换器又称直流斩波器，将 一种电压、电流等级的直流电变换成另一种电压、电流等级的直流电。这类变换器可以是单向的，也可以 是双向的，单向电能变换器将从一端输入的电能变换后从另一端输出，而双向电能变换器可以实现高效率 和可控的电能的双向流动。在独立光伏发电系统中，变换器控制系统需实现对储能装置进行充放电，因此 4 第一章绪论 升压模式j t 一降压模式一 ( a ) 电压型双向d c d c 变换器 模式一 t ( b ) 电压电流型双向d ( ：d c 变换器 图1 - 4 双向d c d c 隔离变换器典型结构 综合上面的分析，本文中所设计的功率变换器采用隔离双向d c d c 模式，其典型拓扑模式有两类， 一类是多电压源双向d c d c 变换器，如图1 - 4 ( a ) 所示，这类变换器的特点是变换器的输入输出侧都为 电压源型，而其低压端因为无滤波电感，在处于降压模式下纹波电流会较大。另一类电压电流型双向d c d c 变换器如图1 - 4 ( b ) 所示，在低压电源侧接入一输入电感，以保证低压侧的电流近似不变，从而低压侧可 以视为以恒流源。文献【1 6 】提出在这种电压电流型双向变换器结构中，当低压侧电源放电时，要求高压侧 母线电压能保持稳定，即实现母线端的输出电压的闭环控制；当高压母线侧放电低压侧电源充电时，基于 器件的充电特性的要求恒流充电，因此需要对充电电流进行闭环控制。本文所讨论的电路拓扑结构也基于 电压电流型双向变换器这一类型。 双向隔离d c d c 交换器系统来将太阳能电池输出的直流电逆变成高频形式，通过高频变压器将电压 升高至所需电压等级，再经由不控整流桥将电压整成直流形式。变换器中的高频变压器的作用不仅连接太 阳能电池、负载、储能装置这些端电压互不匹配的各个器件，而且变压器漏感和其串联的电感是能量存储 与转移的载体，是变换器能量传输的重要元件，同时也是保证变换器实现软开关的换能元件l 1 6 j 。 近年来，对隔离双向d c d c 变换器国内外有很多研究，但大多数针对于双端口系统。如图1 - 5 ( a ) 所示的推挽式d c d c 变换器，是较为常见的一种模式，但其转换效率不是很高，只有9 0 毋2 【1 0 l ；绝大 部分独立系统都采用如图1 5 ( b ) 所示的全桥d c a c d c 拓扑结构，这种电路控制简单，且可以调节改善 输出功率因素，适合用作光伏电池与负载端间接口电路：文献【1 6 】则提出了如图1 5 ( c ) 所示的隔离半桥 d c d c 双向变换器这一拓扑结构，其原边b u c k - b o o s t 双向变换器不仅实现了功率双向的转换，而且还可以 将一端较低的输入电压斩波至稳定较高的电压，以弥补输入电压经常波动带来的电压不匹配问题，很适合 e d l c 充放电电路：文献【1 4 】将b u c k - b o o s t 双向变换器与全桥d c i ) c 变换器用直流母线结合起来，如图1 5 ( d ) 所示，使用同一高频变压器、同一整流电路向同一负载供电，减小了系统体积，提高了转换效率， 实现了集中管理系统功率流动，但是控制较为复杂。 5 东南大学硕士学位论文 旦 + z +c 2 = 幽 d 。 z d i 毋 一 ji +岛“ = + g 帮帮圉： 2【 甜仁 d 2d 礴! 薄薄 廿3 。 妄 坚一 = 咯： 一出2 乒， s ： = 一 c -缶： 舅 一 图1 5 几种常见双向隔离d c d c 变换器( a ) 推挽式d c d c 变换烈1 0 l ；( b ) 全桥d c a c d c 变换 器【1 2 】；( c ) 隔离半桥d c d c 双向变换器【1 6 】；( d ) 多输入隔离d c d c 双向变换器1 1 4 】 1 6 论文主要研究内容 目前，超级电容器储能技术特别是高压e d l c 模块储能技术在国内还处于有初始阶段，而独立光伏系 统作为可再生能源利用的重要技术之一，近年来收到越来越多的关注。因此研究有关基于e d l c 储能的独 立光伏发电系统既有重要的意义，不仅可以推动太阳能这一清洁能源的广泛应用，而且还会积极推进超级 电容器“全面替代电化学电池”这一趋势。 功率变换器是基于e d l c 储能的独立光伏系统的关键部分，担负着稳定太阳能电池板输出功率，向负 荷提供合适等级的电压，根据实际情况控制e d l c 模块充放电等任务，对提高独立光伏发电系统的转换效 率和能量利用率，增强独立系统的可靠性有着重要的意义。但是目前对于多端口隔离双向d c d c 变换器 的研究却不是很多，特别是对系统数学模型的研究。这将为后续变换器的设计运行提供重要的参考作用， 对控制系统的设计起重要指导作用。本文将对基于e d l c 储能的独立光伏发电系统功率变换器进行需求分 析、建立其小信号模型，设计变换器控制系统，并应用m a t l a b s i m i7 i i n k 对所得结果进行验证。 全文共分5 章，各章主要内容如下： 第一章：主要介绍独立光伏发电系统的结构及其特点，详细讨论了目前通用的独立系统功率变换器的 特点及其研究情况。介绍了超级电容器储能技术的特点，指出了将其应用于独立光伏发电系统的研究意义。 最后给出了全文的主要研究内容。 第二章：主要介绍本项目的独立光伏系统的构成与组件，以及相关模块性能指标。提出本系统主电路 设计方案，主电路采用三端口半桥拓扑结构，分析比较几种常见的控制策略后，决定移相加p w m 方式， 控制功率在太阳能电池板、储能装置与用户端之间有序流动。分析变换器的工作原理，给出系统等效电路 模型。 6 第一章绪论 第三章：采用拆解合并的方式，先采用基本建模法计算各个变换器子系统系统传输功率表达式，分析 其数学特性，再计算整个变换器系统的功率传输特性。采用简化状态空间平均法建立各个变换器子系统的 数学模型，并通过仿真验证所得数学模型的准确性。最后将结果类推至整个系统，并求得系统小信号状态 方程与输出方程。 第四章：利用前面所建立的功率变换器小信号分析系统动态性能，并根据所得结果设计补偿控制系统。 之后再用m a l r i a b s m i n k 仿真分析验证系统的动态性能。最后对系统整个功率变换器进行 m 棚，a b s m 刚l i n k 仿真验证。 第五章：最后对全文所作的工作及主要研究成果作了总结，提出论文中不足的地方，对下一步的研究 提出要求。 7 乙 第二章独立光伏发电系统功率变换器 作范围宽、滤波器体积小、拓扑结构多样等优点，而多端口变换器只用一级功率转换装置就可将不同电气 特性、不同等级的模块集中起来，统一控制各个模块开关电路工作，统一管理系统能量流动，减小了由分 布控制所产生的电能损耗，进一步提高了系统转换效率。同时也考虑到超级电容器的端电压在充放电时变 化范围较大，因此在设计超级电容器接入变换单元时也应考虑到宽输入电压范围。另外值得注意的一点是， 虽然理论上超级电容器的充放电电流不受限制，但是在实际使用时，由于等效串联电阻存在，超级电容器 的充放电电流不应无限制的大，应有一定的允许范围。因此超级电容器模块输出电流波动范围有限。在整 个多端1 3 变换器系统中，由于开关器件较多，中央控制器资源有限，所以控制策略不宜太复杂。为了提高 系统转换效率，应采取合适的软开关技术，减小器件开关应力，降低由此产生的热量。 2 2 独立光伏发电系统功率变换器工作原理 2 _ 2 1 独立光伏发电系统功率变换器拓扑结构 系统变换器的拓扑结构如图2 2 所示，采用三端口隔离半桥双向拓扑结构，太阳能电池端( h b l ) 、负 载端( h b 2 ) 通过隔离半桥双向d c d c 变换器连接起来；而超级电容器( h b 3 ) 通过b o o s t - b u c k 双向变 换器与高频变压器相连，既可以经升压后给负载供电，又可以接受太阳能电池或负载的充电，实现能量双 向流动。三端口隔离半桥d c d c 变换器将超级电容器( e d l c ) 接入，可以控制变换器系统内部实时功率 流动，这将提高系统动态性能，增加系统可靠性。 月b 1 图2 - 2 用于独立光伏系统功率变换器的三端口隔离半桥双向d c d c 变换器拓扑结构 9 东南大学硕士学位论文 在图2 - 2 中，尸矿、l 跖分别为太阳能电池阵列与超级电容模块输入电感，墨s 6 为半桥转换单元 的开关器件，p w m l p w m 6 为各开关器件的驱动信号，c 1 c 。分别为各半桥转换单元中的均压电容， 厶、三2 、厶为三绕组变压器各绕组漏感与外接电感之和，c o 为输出滤波电容，负载用阻抗r 删表示。 2 2 2 双有源双向d c d c 变换器工作原理 三端1 3 隔离双向半桥【k ：d c 变换器由双有源隔离半桥双向d c d c 变换器变换而来，目前有很多研究 针对于双有源隔离半桥双向d c d c 变换器，但是对多端1 3 隔离半桥双向d c d c 变换器的研究并不多。在 文献【1 6 】、【2 4 】在分析双有源双向d c d c 变换器工作原理时都以高频隔离变压器为中心，将变压器两侧变 换单元等效为两个频率相等的高频方波电源，通过控制两个方波的相位关系来控制传输功率的大小和方 向，如图2 3 所示。图中电感三，为高频隔离变压器原副边等效漏感，是能量传输的重要元件，由于变压器 的励磁回路对变换器运行产生的影响很小，故忽略不计；电流f ，为变压器原边电流，即漏感电流。变换器 可以在不增加辅助元件的情况下，就可以实现软开关，提高了变换器的效率，这是其一大优点。 图2 3 双有源隔离半桥双向d c d c 变换器原理图 图2 - 4 所示的就是变压器两侧原边、低压侧方波电压与折算至原边的高压侧方波电压p 、圪磅 的波形图以及漏感电流f ，的波形图。设变换器两侧的变换单元转换而来的方波电压占空比相同，都为d ， 高压侧方波电压圪砌滞后低压侧方波电压相角9 。，当变换器两侧的电压固定时，漏感电流的大小， 形状将影响变换器传输的功率、系统的转换效率，因此分析漏感电流很重要。根据电感电气特性 f ，( p ) = u ，a o 三+ f ，( o ) ，可以计算变压器漏感电流f ，。 2 疗d 27 r a t 厂 iy 1 y h i g h 1 0 图2 _ 4 双有源半桥双向d c d c 变换器漏感三，两侧的电压与漏感电流波形 从图2 - 4 可以得到，当低压侧变换单元产生的方波超前于高压侧变换单元产生的方波时，漏感三，上传 输的功率p 0 ，即能量由低压侧流向高压侧：反之，当低压侧变换单元产生的方波滞后于高压侧变换单 l o 第二章独立光伏发电系统功率变换器 元产生的方波时，漏感三，上传输的功率p 0 ，能量由高压侧流向低压侧。且相位差妒越大，漏感三，传 输的功率越大。因此，控制原副边方波电压源之间的相角差，可以灵活的控制系统传输能量的大小、方向。 还有一点需要注意，在变压器两侧等效电压不相等时，变换器系统内电流应力与漏感电流电有效值都将增 加，变换器传递的无功也将增加，这些将增大变换器的电流应力和通态损耗【1 9 1 。 2 2 3 独立光伏系统功率变换器工作原理 运用同样的分析方法，可以对图2 2 所示的拓扑结构进行分析，高频变压器所连接的各端口h b l 、h b 2 、 h b 3 经变换单元输出电压方波，均可以等效为高频方波电压源，控制开关管s & 在同一频率下工作， 且同一桥臂上的开关管在一个开关周期内互补开断，就可以得到三个频率相等，相位可移的方波电源。图 2 3 所示的三绕组变压器可用变压器等效丁模型表示，可以得到包含三个方波电源的r 型电感网络。对其 进行丁一转换，就可以得到如图2 - 4 所示的型电感网络。理论上，可以将其视为含有三个相角可控的 电压源的电感网络。在图2 - 4 中，电感厶，、厶，、厶。分别表示经r 一转换后的三绕组变压器漏感与外 接电感之和，e g n i l 2 、f 2 3 、毛1 则分别表示流经电感三1 2 、三2 3 、l 3 1 的电流，功率最2 、最3 、只l 表示的 是在电感网络各个支路厶，、厶，、厶上传输的功率。 v h 吼 2 图2 5 三端口隔离半桥双向d c d c 变换器工作原理图 在图2 5 所示的电感网络中有三个频率相同，相位不同的方波电源，要分析这样的电感网络模型在稳 态时各个支路上传递的功率，传统的做法是对电感网络进行潮流计算。以常用的牛顿拉夫逊潮流计算法为 例，需先建立电感网络的节点导纳矩阵，设定相应的各个初始值，再经反复地带入计算、修正、再带入的 迭代步骤，直至修正量达到一定得数量级，判定矩阵收敛，最后计算各线路中的功率分布。这样的做法过 于繁琐，也不利于后面的分析建模。因此，将之前应用于双有源半桥双向d c d c 变换器的分析方法引入， 分析图2 5 所示的电路拓扑。 图2 - 6 三端口隔离半桥双向d c d c 变换器等效原理图 东南大学硕士学位论文 如图2 - 6 所示，将含有3 个高频电源的电感网络等效为3 个的双有源双向d c d c 变换器系统，每个变 换器都独立工作，互不影响。因此，可以采用之前分析双有源双向d c d c 变换器的方法，根据加载在电 感支路( 厶2 、l 2 3 、三3 1 ) 两侧的电压l 、2 、3 的波形，利用电感的特性屯( a ) = 甜l a o l + i l ( 0 ) ， 以图2 5 所标注的方向为正方向，计算电感厶2 、三2 3 、三3 l 上经过的电流2 、f 2 3 、如1 。可以看到加在电 感支路上的电压将决定电感中的电流( i 1 2 、f 2 3 、i 3 1 ) ，再根据式( 2 1 ) 所示的公式可以进一步地计算每 个电源的输出电流、厶的大小。因此，加在电感支路上的电压也就间接决定了流经每个端口的电流。 ff l ( p ) = 1 1 2 ( 日) 一3 l ( a ) f 2 ( 0 ) = i 2 3 ( 日) 一1 1 2 ( 9 ) ( 2 - 1 ) i i 3 ( 0 ) = 3 1 ( 0 ) 一如( 日) 1 2 7 由 ， a ， 一 ： 0 7 。粤 0 7 ： 。| 。l|i 0 7 1 2 3|。f| l j 。| 0 7 f ir lj i i人； 0 7 t o 毛岛t 3 t 5 ，6 岛，8 图2 7 理想情况下系统变换器等效模型波形图 1 2 第二章独立光伏发电系统功率变换器 图2 7 绘出t - - 端口隔离半桥双向d c d c 变换器的三个等效高频方波电压源( l 、2 、3 ) 波形图，为简化起见，假设三个变换单元工作在同一占空比下，即驱动开关管s 、是、墨工作的p w m 信号占空比相同，均为d (