基于光储系统的三端口变换器研究.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(5),4467-4479 Published Online September 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.125407 文章引用文章引用:孙薪,吴云亚,姜玉霞.基于光储系统的三端口变换器研究J.建模与仿真,2023,12(5):4467-4479.DOI:10.12677/mos.2023.125407 基于光储系统的三端口变换器研究基于光储系统的三端口变换器研究 孙孙 薪,
2、吴云亚,姜玉霞薪,吴云亚,姜玉霞 盐城工学院电气工程学院,江苏 盐城 收稿日期:2023年7月11日;录用日期:2023年9月5日;发布日期:2023年9月12日 摘摘 要要 研究了一种可应用于光储系统中的非隔离型三端口变换器研究了一种可应用于光储系统中的非隔离型三端口变换器,通过调节通过调节3个开关管来实现个开关管来实现不同工作模式的不同工作模式的平滑切换平滑切换,分析了不同工作模式运行的能量流动状态,改变传统分析了不同工作模式运行的能量流动状态,改变传统PI调节固定参数调节的思路,提出了一调节固定参数调节的思路,提出了一种非固定的种非固定的PI参数调节方法,通过对比实验,实现了超调量的减小
3、和调节速度的加快。参数调节方法,通过对比实验,实现了超调量的减小和调节速度的加快。通过分析拓扑结通过分析拓扑结构在不同工作模式下的运行状态,研究其功率流动管理的控制策略,并结合仿真实验,验证其理论的可构在不同工作模式下的运行状态,研究其功率流动管理的控制策略,并结合仿真实验,验证其理论的可行性和有效性行性和有效性。关键词关键词 光伏系统,能量管理,三端口变换器,光伏系统,能量管理,三端口变换器,PI调节调节 Research on Three-Port Converter Based on Optical Storage System Xin Sun,Yunya Wu,Yuxia Jiang
4、School of Electrical Engineering,Yancheng Institute of Technology,Yancheng Jiangsu Received:Jul.11th,2023;accepted:Sep.5th,2023;published:Sep.12th,2023 Abstract A non-isolated three-port converter that can be applied to the optical storage system was studied,which realized the smooth switching of di
5、fferent working modes by adjusting three switch tubes,analyzed the energy flow state of operation in different working modes,changed the idea of tradi-tional PI adjustment fixed parameter adjustment,proposed a non-fixed PI parameter adjustment method,and realized the reduction of overshoot and the a
6、cceleration of adjustment speed through comparative experiments.By analyzing the operating status of the topology in different working modes,the control strategy of power flow management is studied,and the feasibility and effec-tiveness of the theory are verified by combining simulation experiments.
7、孙薪 等 DOI:10.12677/mos.2023.125407 4468 建模与仿真 Keywords Photovoltaic System,Energy Management,Three-Port Converter,PI Regulation Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/li
8、censes/by/4.0/1.引言引言 随着全球变暖和极端天气对社会的影响,当前国家的能源结构应加快实现向以清洁能源为主的新型能源结构转型1 2。光伏发电是实现“双碳”目标的重要措施,逐渐成为国家新型能源结构中的重要组成部分3。由于易受阴影遮挡、晚间光照低等因素的影响,光伏发电的过程存在间断性、不稳定性等问题,因此一般会将蓄电池加入发电系统中,用以提高系统发电的稳定性能4 5。这种含有储能环节的光伏发电系统通常被称为光储系统。在光储系统中,由于涉及不同类型的能源与负载,一般变换器在空间使用率、材料价格、功率流动控制等多方面不能完全满足实际使用需求,因此可集中化地对光伏阵列、蓄电池及负载进行综
9、合能量管理的三端口变换器应运而生6。出于安全性的考虑,一般会将各端口之间进行电气隔离,按照各端口的隔离状态分类,可将主流三端口变换器分为隔离型三端口变换器、部分隔离型三端口变换器和非隔离型三端口变换器7 8 9 10。隔离型三端口变换器由双向桥式拓扑电路和多绕组高频变压器组成,通过调节原副边匝数比值,实现输入输出间的高比例增益变换;储能环节的双向能量流动则由双向桥式拓扑电路实现,但其功率密度低,且变压器体积大结构冗杂,一般应用于对安全性能要求较高的场所11 12 13 14。非隔离型三端口变换器因为其具有功率密度高、体积小、结构简单等优点成为近年来主要研究热点。刘硕15提出的一种非隔离型三端口
10、变换器拓扑结构,通过控制 3 个开关管的开通与关断,使各端口之间具有升降压增益特点,具有结构简单、体积小的优势。王辉16提出的一种高增益非隔离型三端口变换器,通过对电容 C1充放电,并将 C1电压叠加至变换器输出侧,提高了变换器的增益。Davalos 17基于二次型变换器提出了高增益三端口变换器,变换器增益与占空比平方呈正比,有效提高了变换器增益。以上学者所提出的三端口变换器系统虽都能实现各自的目标,但控制策略均采用传统的固定PI参数调节,因此超调量和达到稳态的速度均无优化。本文研究了一种非隔离型三端口变换器,通过控制 3 个开关管的开通与关断,能够实现各端口之间的能量流动,且通过非固定 PI
11、 调节参数的整定方法,系统可以平滑地切换于不同工作模式之间,并通过仿真验证了其可行性。2.系统拓扑电路分析系统拓扑电路分析 2.1.三端口变换器拓扑结构三端口变换器拓扑结构 本文所研究的拓扑结构如图 1 所示,该拓扑包含 1 个光伏阵列(PV)、1 个储能环节(Battery)、1 个输出负载(Ro)、3 个 MOSFET 开关管(S1S3)、3 个二极管(VDin、VDb和 VDo)、1 个储能电感 Lf及 3 个滤波电容(Cin、Cb和 Co)。相比于一般储能环节后级的功率变换器,该拓扑的特点是元器件数量少、变换器体积小、拓扑结构简单的优点,通过控制拓扑中的 3 个开关管可使不同端口间具有
12、 Boost 特性。Open AccessOpen Access孙薪 等 DOI:10.12677/mos.2023.125407 4469 建模与仿真 Figure 1.Three-port converter topology diagram 图图 1.三端口变换器拓扑结构图 假定 1 表示为开关管导通,0 表示为开关管关断,则以开关管 S1和 S3导通,S2关断为例,拓扑结构中三个开关管的导通状态按顺序可表示为 101,依此类推。2.2.SIDO 模式模式 光照充足时,光伏阵列工作在最大功率点处,此时同时向储能环节和输出负载供能,其工作模式为单输入双输出模式(SIDO),如图 2 所示;
13、Figure 2.SIDO mode 图图 2.SIDO 模式 (a)开关状态为 100 (b)开关状态为 010 (c)开关状态为 000 Figure 3.The working status of SIDO 图图 3.SIDO 的工作状态 孙薪 等 DOI:10.12677/mos.2023.125407 4470 建模与仿真 在 SIDO 模式下,一个开关周期内的工作状态由 100010000 组成一个循环,此时开关管 S3保持关断,通过控制开关管 S1和 S2的周期性导通实现输出负载侧的恒压输出,并将多余的能量储存至储能环节,示意图如图 3 所示。对应的电感电压、电感电流以及开关管
14、1 和开关管 2 的通断状态如图 4 所示。Figure 4.Inductor voltage,inductor current,and three switches on(single input dual output mode)图图 4.电感电压、电感电流、三个开关管的导通情况(单输入双输出模式)2.3.DISO 模式模式 当光照减弱时,光伏阵列输出的功率不足以支撑输出负载所需功率,此时储能环节出力,与光伏阵列共同向输出负载供能,对应的是双输入单输出模式(DISO),如图 5 所示:Figure 5.DSO mode 图图 5.DISO 模式 在 DISO 模式下,一个开关周期内的工作状
15、态分为两种,一种是 101100000,另一种是 101001000,此时开关管 S2保持关断,当光伏阵列的输出大于负载侧所需功率的一半时,此时一个开关周期内的工作状态由 101100000 组成一个循环,光伏阵列为主要供能端,储能环节补偿输出负载侧所需孙薪 等 DOI:10.12677/mos.2023.125407 4471 建模与仿真 的剩余能量;当光伏阵列的输出小于负载侧所需功率的一半时,此时一个开关周期内的工作状态由 101001000 组成一个循环,储能环节为主要供能端,光伏阵列补偿输出负载侧所需的剩余能量。示意图如图 6 所示。(a)开关状态为 101 (b)开关状态为 100
16、(c)开关状态为 001 (d)开关状态为 000 Figure 6.Working status of DISO 图图 6.DISO 的工作状态 其中,图 7 所示为 D1 D3的双输入单输出模式下,电感电压、电感电流以及开关管 1 和开关管 3的通断状态,图 8 所示为 D1 D3)图图 7.电感电压、电感电流、三个开关管的导通情况(双输入单输出模式(D1 D3)孙薪 等 DOI:10.12677/mos.2023.125407 4472 建模与仿真 Figure 8.Inductor voltage,inductor current,and turn-on of three switch
17、es(dual-input single-output mode(D1 D3)图图 8.电感电压、电感电流、三个开关管的导通情况(双输入单输出模式(D1 D3)2.4.SISO 模式模式 当输出负载断开时,光伏阵列单独向储能环节供能,当光照为 0 时,储能环节单独向输出负载供能,当储能环节无法供能时,光伏阵列单独向输出负载供能,此三种工作模式为单输入单输出模式,如图9(a)(c)所示。(a)SISO 模式(蓄电池充电)(b)SISO 模式(蓄电池放电)(c)SISO 模式(蓄电池不充电不放电)Figure 9.SISO mode 图图 9.SISO 模式 孙薪 等 DOI:10.12677/m
18、os.2023.125407 4473 建模与仿真 SISO 模式即为基本的 Boost 升压电路,以光伏阵列向负载供电为例,其工作状态为(100000),示意图如图 10 所示。(a)开关状态为 100 (b)开关状态为 000 Figure 10.SISO operating state(PV array load)图图 10.SISO 的工作状态(光伏阵列负载)如图 11 所示为单输入单输出模式(光伏阵列向负载供电)下电感电压、电感电流以及开关管 1 和开关管 3 的通断状态。Figure 11.Inductor voltage,inductor current,three switch
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