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CN110620377B - 一种能量高效传输的三端口dc-dc变换器及其控制方法 - Google Patents

一种能量高效传输的三端口dc-dc变换器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于光伏发电系统能量高效传输的三端口DC‑DC变换器及其控制方法，属于光伏发电技术领域。光伏发电系统包括光伏太阳能电池、储能蓄电池、移相全桥变换器及直流母线，电路拓扑结构为复用原边桥边开关管的移相全桥变换器。移相全桥变换器输入与直流母线相连，输出与光伏电池相串联接入直流母线，其输出电压来补偿直流母线电压和光伏电池电压的差值，并使得光伏电池处于最大功率获取状态。通过调节移相全桥变换器原边桥臂开关管的占空比来调节蓄电池的充放电电流，并维持直流母线电压的稳定。采用本发明所述的拓扑结构在维持直流母线电压稳定和光伏最大功率获取的基础上，可显著提高整个光伏发电系统的效率，应用前景广阔。

Description

一种能量高效传输的三端口DC-DC变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及一种应用于光伏发电系统能量高效传输的三端口DC-DC变换器及其控制方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
随着人类资源消耗增加以及地球上不可再生资源的减少，全世界都在为人类寻找新的替代能源。太阳能作为一种可再生能源，拥有极大的发展空间。但光伏电池自身存在着能量转换效率较低的问题，如何提高整个光伏发电系统的效率显得尤为重要。
光伏发电系统主要由光伏太阳能电池板、储能蓄电池和电力电子变换器及直流母线组成。整个系统能够实现对太阳能光伏电池输出功率最大获取控制；在光照充足时可将能量供给直流母线并将冗余能量传输给储能蓄电池以保持直流母线电压稳定。光照不足时，确保太阳能光伏电池处于最大功率获取状态，同时蓄电池释放能量以确保直流母线电压的稳定。传统的光伏发电系统中一般采用Boost变换器来进行光伏电池的最大功率获取，其结构简单，效率也较高。但光伏发电产生的能量均需通过Boost变换器才能汇入直流母线，会存在一定的能量损耗。除此之外，Boost变换器存在工作效率和光伏电池的输出功率匹配不佳的问题，影响了整个系统的功率变换效率。
发明内容
本发明的目的是为了实现光伏最大功率获取和保持直流母线电压稳定而提供一种应用于光伏发电系统能量高效传输的三端口DC-DC变换器及其控制方法。
本发明的目的是这样实现的：一种应用于光伏发电系统能量高效传输的三端口DC-DC变换器，电路拓扑结构为复用原边桥边开关管的移相全桥变换器，由高频变压器HFT，开关管S1-S4构成的移相全桥变换器的原边全桥变换器，二极管D1-D4构成的不控整流桥以及滤波电感Lo滤波电容Co组成；光伏太阳能电池串与移相全桥变换器的输出相串联接入直流母线，移相全桥变换器的输入与直流母线直接相连，储能蓄电池通过复用移相全桥变换器的原边开关管构成双Buck-Boost变换器与直流母线相连。
本发明还包括这样一些结构特征：
1、原边桥臂开关管S1和S3、S2、S4均为互补导通，占空比可调，开关管S1和S2占空比相同，S3和S4的占空比相同，原边全桥变换器桥臂LegA和LegB之间的相位角为
Figure GDA0004125556740000021
2、储能蓄电池通过两个大小相同的电感Lbat1、Lbat2分别连接到移相全桥变换器的原边桥臂的两个中点A、B。
3、移相全桥变换器的输出电压Uo、直流母线电压Ubus、以及光伏电池串的两端电压Upv之间满足Upv＝Ubus-Uo，而移相全桥变换器的输出电压Uo与输入电压Ubus之间满足Uo＝αUbus，即Upv＝Ubus-αUbus。
4、一种应用于光伏发电系统能量高效传输的三端口DC-DC变换器控制方法，具体包括以下步骤：
步骤1、在系统上电初始阶段，将系统初始化，将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器输出均设置为0；
步骤2、采集电压传感器VSA得到直流母线电压值ubus，将采集到的电压与设置的电压值u* bus进行比较，将它们的偏差信号Δubus输入至控制器Gbus并对控制器的输出进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号dbus；
步骤3、采集电压传感器VSB得到光伏串电压值upv，采集电流传感器CSA得到光伏输出电流值ipv，根据采集到的光伏电池输出电压和输出电流，利用MPPT算法获取太阳能电池板端电压的给定值u* pv；
步骤4、将采集到的光伏电池输出电压upv与通过MPPT算法得出的给定电压值u* pv作差，偏差Δupv被送入控制器Gpv，其输出经过运算后作为移相全桥变换器原边桥臂间移相角控制信号
Figure GDA0004125556740000022
步骤5、将dbus作为调制信号用于PWM调制，采用幅值为VM的三角波作为桥臂LegA载波信号，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegA的下开关管S3，桥臂上开关管S1与其桥臂下开关管S3互补导通，占空比为(1-d1)；
步骤6、将桥臂LegA载波信号滞后角度
Figure GDA0004125556740000023
将dbus作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegB的下开关管S4，桥臂上开关管S2与其桥臂下开关管S4互补导通，占空比为(1-d1)；
步骤7、在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤2至步骤6，接到停机指令时退出运行状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的DC-DC变换器可实现以下功能：通过调节移相全桥变换器原边桥臂间的移相角来实现对光伏电池的最大功率获取控制。通过调节移相全桥变换器原边桥臂开关管的占空比实现对储能蓄电池的充放电控制，以保持直流母线电压的稳定。光伏电池产生的大部分能量能够直接传输到直流母线上，无中间电力变换环节，显著提高整个发电系统的效率。移相全桥变换器作为功率补偿器，传输的功率只占其中一小部分，从而有效减小了变换器的体积。
储能蓄电池通过两个完全相同的电感连接在原边两个桥臂的中点，通过复用原边桥臂的开关管与直流母线相连，通过调节原边桥臂开关管的占空比维持直流母线电压的稳定，实现储能蓄电池的充放电管理。光伏电池串与移相全桥变换器的输出串联接入直流母线，其产生的大部分能量通过移相全桥变换器的副边不控二极管整流桥和LC滤波器直接汇入直流母线，无中间电力变换环节，显著地提升了传输效率，减小了传输过程中的损耗。同时，移相全桥变换器即作为功率补偿器，其传输的能量只是传输总能量的一小部分，从而使得传输过程中的损耗有所降低，同时也减小了高频变压器的容量和体积。
在光伏发电系统中，光伏太阳能电池串与移相全桥变换器的输出相串联，接入直流母线，移相全桥变换器的输入则与直流母线直接相连，储能蓄电池通过复用移相全桥变换器的原边开关管构成双Buck-Boost变换器与直流母线相连。通过调节移相全桥变换器原边桥臂的移相角来实现光伏电池的最大功率获取控制，通过调节原边桥臂开关管的占空比来保持直流母线电压的稳定。光伏电池产生的大部分能量能够直接汇入到直流母线上，无中间电力变换环节，因而效率得到了显著地提高，移相全桥变换器作为功率补偿器，传输的功率只占其中一小部分，从而有效减小了变换器的体积。
附图说明
图1是应用于光伏发电系统的高效率DC-DC变换器的拓扑结构图；
图2是高效率三端口DC-DC变换器控制策略示意图；
图3是高效率三端口DC-DC变换器各端口输出功率波形图；
图4是光伏发电系统稳定运行的执行流程图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
附图1中主要的电路拓扑结构为复用原边桥边开关管的移相全桥变换器，其主要由高频变压器HFT，由开关管S1-S4构成的移相全桥变换器的原边全桥变换器，由二极管D1-D4构成的不控整流桥以及滤波电感Lo滤波电容Co组成。其中，原边桥臂开关管S1和S3、S2、S4均为互补导通，其占空比可调，开关管S1、S2占空比相同，S3、S4的占空比相同，原边全桥变换器桥臂LegA和LegB之间的相位角为
Figure GDA0004125556740000041
储能蓄电池通过两个大小相同的电感Lbat1、Lbat2分别连接到移相全桥变换器的原边桥臂的两个中点A、B，光伏电池串则与移相全桥变换器的输出相串联，接入直流母线DCBus，移相全桥变换器的输入则直接连接到直流母线上。其中，ipv为光伏电池串的输出电流，Upv为光伏电池串的输出电压，Ubus为直流母线电压值。
该拓扑结构实现光伏电池最大功率获取的原理如下，光伏电池串与移相全桥变换器的输出相串联接入直流母线，则其移相全桥变换器的输出电压Uo、直流母线电压Ubus、以及光伏电池串的两端电压Upv之间应满足Upv＝Ubus-Uo，而移相全桥变换器的输出电压Uo与输入电压Ubus之间应满足Uo＝αUbus，即Upv＝Ubus-αUbus，因而当直流母线电压稳定在设定值时，对光伏电池串的输出电压upv和输出电流ipv进行采样，通过最大功率跟踪算法确定光伏最大功率获取是的端电压值，通过对移相全桥变换器输出电压αUbus的控制，从而可以实现对光伏电池串的最大功率跟踪控制。
结合附图1和附图2，本发明所提出的高效率DC-DC变换器的具体应用方案如下：
步骤1、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，其中重要的工作是将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器输出均设置为0；
步骤2、采集电压传感器VSA可得到直流母线电压值ubus，将采集到的电压与设置的电压值u* bus进行比较，将它们的偏差信号Δubus输入至控制器Gbus并对控制器的输出进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号dbus；
步骤3、采集电压传感器VSB可得到光伏串电压值upv，采集电流传感器CSA可得到光伏输出电流值ipv，根据采集到的光伏电池输出电压和输出电流，利用MPPT算法获取太阳能电池板端电压的给定值u* pv；
步骤4、将采集到的光伏电池输出电压upv与通过MPPT算法得出的给定电压值u* pv作差，偏差Δupv被送入控制器Gpv，其输出经过运算后作为移相全桥变换器原边桥臂间移相角控制信号
Figure GDA0004125556740000051
步骤5、将dbus作为调制信号用于PWM调制，采用幅值为VM的三角波作为桥臂LegA载波信号，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegA的下开关管S3，桥臂上开关管S1与其桥臂下开关管S3互补导通，占空比为(1-d1)；
步骤6、将桥臂LegA载波信号滞后角度
Figure GDA0004125556740000052
将dbus作为调制信号，同样采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegB的下开关管S4，桥臂上开关管S2与其桥臂下开关管S4互补导通，占空比为(1-d1)。
步骤7、在没有得到停机指令的情况下重复执行(2)～(6)步骤，接到停机指令后退出运行状态。
本发明提供的一个具体实例如下：
太阳能光伏电池串的最大功率点处电压：200V；储能蓄电池端电压120V；输出直流母线电压240V；输出功率：3.85KW；移相全桥变换器开关频率20kHz。
附图3所示的波形图为光伏发电系统各端口输出功率波形图，从图中可以看出，当光伏电池输出功率减小时(由5125W减小至3575W)，直流母线上的输出功率在0.06s内稳定在3.84KW，直流母线电压能够保持稳定，蓄电池由充电电状态变为为放电状态，移相全桥变换器传输的功率由1025W变为700W，仅占传输总功率的20％左右。
综上，本发明提供的是一种应用于光伏发电系统中实现光伏最大功率获取并保持直流母线电压稳定的高效率三端口DC-DC变换器及其控制方法。该光伏发电系统由光伏太阳能电池、储能蓄电池、移相全桥变换器及直流母线构成。该DC-DC变换器由能够保证光伏发电产生的大部分能量能够直接传输到直流母线上，能够显著地提升整个系统的传输效率。移相全桥变换器输入与直流母线相连，输出与光伏电池相串联接入直流母线，其输出电压来补偿直流母线电压和光伏电池电压的差值，并使得光伏电池处于最大功率获取状态。通过调节移相全桥变换器原边桥臂开关管的占空比来调节蓄电池的充放电电流，并维持直流母线电压的稳定。采用本专利所述的拓扑结构在维持直流母线电压稳定和光伏最大功率获取的基础上，可以显著提高整个光伏发电系统的效率。

Claims (5)

1.一种能量高效传输的三端口DC-DC变换器，电路拓扑结构为复用原边桥边开关管的移相全桥变换器，包括高频变压器HFT，开关管S1-S4构成的移相全桥变换器的原边全桥变换器，二极管D1-D4构成的不控整流桥以及滤波电感Lo滤波电容Co；其特征在于：光伏太阳能电池串与移相全桥变换器的输出相串联接入直流母线，移相全桥变换器的输入与直流母线直接相连，储能蓄电池通过复用移相全桥变换器的原边开关管构成双Buck-Boost变换器与直流母线相连。
2.根据权利要求1所述一种能量高效传输的三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述原边桥臂开关管S1和S3、S2和S4均为互补导通，占空比可调，开关管S1和S2占空比相同，S3和S4的占空比相同，原边全桥变换器桥臂LegA和LegB之间的相位角为φ。
3.根据权利要求2所述一种能量高效传输的三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述储能蓄电池通过两个大小相同的电感Lbat1、Lbat2分别连接到移相全桥变换器的原边桥臂的两个中点A、B。
4.根据权利要求3所述一种能量高效传输的三端口DC-DC变换器，其特征在于：所述移相全桥变换器的输出电压Uo、直流母线电压Ubus、以及光伏电池串的两端电压Upv之间满足Upv＝Ubus-Uo，而移相全桥变换器的输出电压Uo与输入电压Ubus之间满足Uo＝αUbus，即Upv＝Ubus-αUbus。
5.一种权利要求1所述的能量高效传输的三端口DC-DC变换器的控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1、在系统上电初始阶段，将系统初始化，将程序中的光伏电池MPPT控制器和直流母线电压控制器输出均设置为0；
步骤2、采集电压传感器VSA得到直流母线电压值ubus，将采集到的电压与设置的电压值u* bus进行比较，将它们的偏差信号Δubus输入至控制器Gbus并对控制器的输出进行限幅，其输出作为原边桥臂开关管的占空比控制信号dbus；
步骤3、采集电压传感器VSB得到光伏串电压值upv，采集电流传感器CSA得到光伏输出电流值ipv，根据采集到的光伏电池输出电压和输出电流，利用MPPT算法获取太阳能电池板端电压的给定值u* pv；
步骤4、将采集到的光伏电池输出电压upv与通过MPPT算法得出的给定电压值u* pv作差，偏差Δupv被送入控制器Gpv，其输出经过运算后作为移相全桥变换器原边桥臂间移相角控制信号φmppt；
步骤5、将dbus作为调制信号用于PWM调制，采用幅值为VM的三角波作为桥臂LegA载波信号，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegA的下开关管S3，桥臂上开关管S1与其桥臂下开关管S3互补导通，占空比为(1-d1)；
步骤6、将桥臂LegA载波信号滞后角度φmppt，将dbus作为调制信号，采用幅值为VM的三角波作为载波，产生占空比为d1的脉冲序列，该脉冲序列用于驱动移相全桥变换器原边桥臂LegB的下开关管S4，桥臂上开关管S2与其桥臂下开关管S4互补导通，占空比为(1-d1)；
步骤7、在没有得到停机指令的情况下重复执行步骤2至步骤6，接到停机指令时退出运行状态。
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