一種適用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的新型三端口變換器的研究

摘" 要： 針對獨(dú)立光伏系統(tǒng)易受外界因素等影響導(dǎo)致供電不穩(wěn)定的問題，需要采用三端口變換器儲能補(bǔ)償?shù)姆绞絹肀Ｕ舷到y(tǒng)的穩(wěn)定發(fā)電。文中采用功率流法并基于Boost變換器和雙向DC?DC變換器拓?fù)?，?gòu)建了一種應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的非隔離型三端口DC?DC變換器拓?fù)浼碆DC?Boost TPC。通過狀態(tài)方程對該變換器的4種工作模式下的各開關(guān)模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析，采用最小值競爭的控制策略設(shè)計了工作模式選擇器，實現(xiàn)各模式之間的平滑切換。最后利用該變換器搭建了適用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的120 W實驗樣機(jī)，控制器選用TMS320F28335，并根據(jù)控制策略編寫了相應(yīng)的控制程序。實驗結(jié)果表明，所構(gòu)建的變換器可實現(xiàn)光伏電池、儲能電池及負(fù)載三個端口之間的功率流通，以及各個工作模式之間平滑切換。綜上，該變換器具有工程實用性。

關(guān)鍵詞： 光伏電池； 三端口變換器； 功率流法； 非隔離； 開關(guān)模態(tài)； 平滑切換

中圖分類號： TN624?34； TM46" " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）04?0102?07

Research on new three?port converter applied to independent photovoltaic system

YUAN Chenhu1， SU Jiawei2

（1. School of Electronics and Information Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China;

2. School of Electrical Engineering， Tiangong University， Tianjin 300387， China）

Abstract： In allusion to unstable power supply caused by independent photovoltaic systems susceptible to external factors， three?port converter energy storage compensation is needed to ensure the stable power generation of the system. A non?isolated three?port DC?DC converter topology， BDC?Boost TPC， for independent photovoltaic systems is constructed by means of the power flow method based on the Boost converter and bidirectional DC?DC converter topology. The switching modes of the four operating modes of the converter were analyzed in detail by means of state equations. The operating mode selector was designed by means of the minimum value competition control strategy to realize smooth switching between modes. A 120 W experimental prototype suitable for independent photovoltaic systems was built by the converter. The controller was TMS320F28335， and corresponding control programs were written according to the control strategy. The experimental results show that the constructed converter can realize power flow between the three ports of photovoltaic cells， energy storage cells， and loads， as well as smooth switching between various operating modes. This converter has engineering practicality.

Keywords： photovoltaic cell; three?port converter; power flow; non?isolation; switching mode; smooth switching

0" 引" 言

為了緩解化石能源對環(huán)境和氣候的影響以及保障能源利用的可持續(xù)性，以太陽能為代表的多種可再生能源在發(fā)電領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1?2]。獨(dú)立光伏系統(tǒng)作為光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要分支，以其供電的獨(dú)立性和靈活性，在生產(chǎn)生活中有著廣泛的應(yīng)用前景。獨(dú)立光伏供電系統(tǒng)一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括光伏電池、DC?DC變換器、儲能裝置、逆變器和交直流負(fù)載。儲能裝置用來解決光照、環(huán)境、氣候等因素導(dǎo)致的系統(tǒng)供電的不穩(wěn)定問題[3?4]，DC?DC變換器主要用來進(jìn)行功率傳輸控制。早期應(yīng)用于獨(dú)立光伏系統(tǒng)的DC?DC變換器多采用相互獨(dú)立的DC?DC變換器進(jìn)行簡單的連接組合，該方式得到的變換器存在體積大、控制分散、成本高等問題。為解決此問題，國內(nèi)外的研究學(xué)者提出了三端口變換器（Three?Port Converter， TPC），并進(jìn)行了大量的研究工作。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不同，TPC可分為非隔離型TPC和隔離型TPC。隔離型TPC由于含有變壓器等結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)具有電氣隔離和靈活的電壓等級調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，所以常應(yīng)用在高功率的場合 [5?8]；非隔離TPC具有體積小、功率密度大的優(yōu)點(diǎn)，在小功率和無需電氣隔離的場合，非隔離TPC更具有實用性[9?10]。減小系統(tǒng)體積，降低控制復(fù)雜度一直是學(xué)者關(guān)于非隔離TPC的研究方向。文獻(xiàn)[11]提出一種非隔離TPC，該變換器僅需要檢測4個被控量即可實現(xiàn)3個端口之間的功率流通；但其模式判斷條件較多，判斷過程繁瑣，對控制器要求較高。文獻(xiàn)[12]提出一類TPC結(jié)構(gòu)，該類型TPC只需要檢測3個被控量，且判斷條件僅需2條，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度；然而其沒有對負(fù)載進(jìn)行監(jiān)控，當(dāng)負(fù)載變化時存在誤判的可能。文獻(xiàn)[13]提出一種可實現(xiàn)升降壓TPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模式判斷流程簡單、判斷條件少；但是其開關(guān)由兩個變量協(xié)同控制，控制器設(shè)計復(fù)雜程度高。文獻(xiàn)[14]提出一種三端口變換器，該變換器僅通過兩個開關(guān)即可實現(xiàn)功率的流通，雖然減少了控制變量，但是控制策略較為復(fù)雜，控制流程變得繁瑣，對控制器的要求很高。

在上述研究中的非隔離TPC拓?fù)淦毡榇嬖谂袛嗔鞒涕L、控制難度大的問題，系統(tǒng)實現(xiàn)困難，控制器控制過程繁瑣。鑒于此，本文基于Boost變換器和雙向DC?DC變換器（Bi?directional DC?DC Converter， BDC），采用功率流法[15]構(gòu)建了一種新型的非隔離三端口變換器——BDC?Boost TPC。該變換器拓?fù)涓鏖_關(guān)僅由一個變量控制，控制器設(shè)計簡單，非常適用于小功率獨(dú)立光伏系統(tǒng)的工況。

1" BDC?Boost TPC拓?fù)浼肮ぷ髟矸治?/p>

1.1" BDC?Boost TPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

功率流法是構(gòu)建TPC的常用方法，如圖2所示。圖中①為基本兩端口變換器固有的功率流徑，在此基礎(chǔ)上分別增加功率流徑②和③，即能得到最基本的TPC拓?fù)洹；诠β柿鞣ǖ腂DC?Boost TPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。BDC?Boost TPC包含輸入端口、儲能端口和負(fù)載端口，三個端口電壓分別為VPV、Vb和Vo。該變換器共包括3個控制功率傳輸?shù)拈_關(guān)管（S1～S3）：S1、S2和S3分別控制輸入端到負(fù)載端的功率、輸入端到儲能端的功率、儲能端到負(fù)載端的功率；2個防止功率倒流的二極管（D1、D2）、2個儲能電感（L1、L2）、3個濾波電容（Co、Cb、Cin）和負(fù)載（R）。

1.2" BDC?Boost TPC工作模式分析

在正常狀態(tài)下，BDC?Boost TPC根據(jù)輸入端口的光伏輸入功率PPV、輸出端口的負(fù)載功率Po和儲能端口蓄電池的功率Pb（蓄電池充電時功率為正、放電時功率為負(fù)）的關(guān)系，呈現(xiàn)四種工作模式，其能量流動方式如圖4所示。

1） 單輸入雙輸出模式M（SIDO?M）。當(dāng)光照充足且蓄電池電壓（或電流）沒有達(dá)到限定值時，即PPVgt;Po，變換器工作在最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking， MPPT）狀態(tài)下，以最大功率為蓄電池和負(fù)載供能，如圖4a）所示。

2） 單輸入雙輸出模式C（SIDO?C）。當(dāng)光照充足但蓄電池電壓（或電流）達(dá)到最大值，變換器工作在蓄電池恒壓（或恒流）控制狀態(tài)，如圖4b）所示。

3） 雙輸入單輸出模式（DISO）。光照不充分時，即PPVlt;Po，光伏電池和蓄電池共同為負(fù)載提供能量，如圖4c）所示。

4） 單輸入單輸出模式（SISO）。當(dāng)無光照時，即PPV=0時，負(fù)載的全部能量由蓄電池提供直至儲能耗盡，如圖4d）所示。

1.3" BDC?Boost TPC開關(guān)模態(tài)分析

為便于分析BDC?Boost TPC各工作模式下的開關(guān)模態(tài)，特作以下假設(shè)：

1） 該拓?fù)涔ぷ髟陔娏鬟B續(xù)模式下；

2） Co和Cb的電容值足夠大，VPV、Vb和Vo均為常值；

3） 開關(guān)管和二極管均為理想開關(guān)。

1.3.1" SIDO?M和SIDO?H模式下開關(guān)模態(tài)分析

由于SIDO?M和SIDO?H兩種模式下，BDC?Boost TPC均只有一個輸入源，其余兩個端口作為輸出，所以兩種模式下的開關(guān)模態(tài)是相同的，以SIDO?M為例進(jìn)行分析。在SISO?M模式下，蓄電池處于充電狀態(tài)，開關(guān)管S3保持關(guān)斷狀態(tài)，BDC?Boost TPC在一個開關(guān)周期內(nèi)共有三個主要的開關(guān)模態(tài)，如圖5所示。

開關(guān)模態(tài)Ⅰ：如圖5a）所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，電感電流iL1在光伏電池的作用下線性上升；電感L2向蓄電池供能，電流iL2線性下降。該模態(tài)時系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

[diL1dt=VPVL1diL2dt=VbL2] （1）

開關(guān)模態(tài)Ⅱ：如圖5b）所示，開關(guān)管S1關(guān)斷，S2導(dǎo)通，光伏電池向負(fù)載及蓄電池供電，電感電流iL1線性下降；電感L2存儲能量，電流iL2線性上升。該模態(tài)下系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：

[diL1dt=VPV-VoL1diL2dt=Vb-VoL2] （2）

開關(guān)模態(tài)Ⅲ：如圖5c）所示，開關(guān)管S1和S2均關(guān)斷，光伏電池向負(fù)載供電，電感電流iL1線性下降；電感L2向蓄電池供能，電流iL2線性下降。該模態(tài)下系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：

[diL1dt=VPV-VoL1diL2dt=VbL2 ] （3）

根據(jù)式（1）～式（3）得到BDC?Boost TPC在SIDO?M模式下的主要工作波形，如圖6所示。

變換器穩(wěn)態(tài)工作時，根據(jù)電感L1和L2伏秒平衡原理，可以得到：

[VPV=Vo（1-d1）Vo=VPV1-d1Vb=VPVd21-d1] （4）

式中：d1和d2分別為開關(guān)管S1和S2的占空比。

從式（4）可以看出，負(fù)載電壓[Vo]與光伏電壓VPV呈現(xiàn)一定的關(guān)系，在VPV穩(wěn)定的情況下可以通過調(diào)整d1來控制Vo的大??；同理，蓄電池的電壓Vb可以通過調(diào)整d2來控制。d1和d2作為獨(dú)立的變量，可以通過單獨(dú)調(diào)整來實現(xiàn)對輸入功率的分配，保證負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。

1.3.2" BDC?Boost TPC在DISO下的開關(guān)模態(tài)

當(dāng)BDC?Boost TPC工作在DISO模式時，蓄電池處于放電狀態(tài)。在此模式下開關(guān)管S2始終保持關(guān)斷狀態(tài)。圖7為BDC?Boost TPC在該模式下各開關(guān)模態(tài)的等效電路。

工作模態(tài)Ⅰ：如圖7a）所示，開關(guān)管S1導(dǎo)通，S3關(guān)斷，電感電流iL1在光伏電池輸入的作用下線性上升；電感L2釋放能量，電流iL2線性下降。該模態(tài)時系統(tǒng)的狀態(tài)方程如下：

[diL1dt=VPVL1 diL2dt=Vb-VoL2] （5）

工作模態(tài)Ⅱ：如圖7b）所示，開關(guān)管S1和S3均關(guān)斷，光伏電池向負(fù)載及蓄電池供電，電感電流iL1線性下降；電感L2釋放能量，電流iL2線性下降。該模態(tài)時系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

[diL1dt=VPV-VoL1diL2dt=Vb-VoL2] （6）

工作模態(tài)Ⅲ：如圖7c）所示，開關(guān)管S1關(guān)斷，S3導(dǎo)通，光伏電池向負(fù)載及蓄電池供電，電感電流iL1線性下降；電感L2處于儲能狀態(tài)，電流iL2線性上升。該模態(tài)時系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

[diL1dt=VPV-VoL1diL2dt=VbL2 ] （7）

根據(jù)式（5）～式（7）得到BDC?Boost TPC在DISO模式下的主要工作波形，如圖8所示。

根據(jù)電感L1和L2伏秒平衡原理可以得到：[VPV=Vo（1-d1）Vo=VPV1-d1Vo=Vb1-d3] （8）

式中：d1和d3分別為開關(guān)管S1和S3的占空比。

根據(jù)式（8），在光伏電池和蓄電池聯(lián)合供電的模式下，d1和d3作為獨(dú)立的變量，分別控制光伏電池和蓄電池傳輸給負(fù)載的功率，當(dāng)負(fù)載功率變化時，可以通過單獨(dú)調(diào)整d1或d3來控制傳輸給負(fù)載的功率，以此保證負(fù)載的運(yùn)行。

1.3.3" BDC?Boost TPC在SISO模式下的開關(guān)模態(tài)

在SISO模式的工作狀態(tài)下，開關(guān)管S2始終保持關(guān)斷，BDC?Boost TPC等效于傳統(tǒng)的Boost變換器，這里不再詳細(xì)分析。

2" BDC?Boost TPC控制策略

圖9為BDC?Boost TPC功率控制框圖，可實現(xiàn)各模式下的功率控制[12，16]。輸入電壓跟蹤控制器（Input Voltage Regulator， IVR）通過監(jiān)測光伏電壓和電流實現(xiàn)輸入端的MPPT；蓄電池恒壓控制器（Battery Voltage Regulator， BVR）和蓄電池恒流控制器（Battery Current Regulator， BCR）通過監(jiān)測蓄電池的實時參數(shù)實現(xiàn)蓄電池充電功率控制；負(fù)載電壓控制器（Output Voltage Regulator， OVR）用于保證負(fù)載功率的穩(wěn)定。

模式選擇器的作用是根據(jù)系統(tǒng)功率控制需求選擇相應(yīng)控制器，實現(xiàn)各模式的功率控制和模式切換，是整個系統(tǒng)控制的核心。BDC?Boost TPC輸入端功率控制包括光伏電池MPPT控制和蓄電池恒壓（或恒流）控制模式。模式選擇取決于蓄電池的狀態(tài)，當(dāng)輸入功率滿足某控制器工作條件時，對應(yīng)控制器PI輸出會達(dá)到最小，而其他控制器PI輸出會達(dá)到飽和，S1控制信號由BCR、BVR、IVR控制器PI輸出的最小者提供；在負(fù)載端功率方面，當(dāng)光伏輸入端功率與供給負(fù)載功率不匹配時，需要蓄電池充放電進(jìn)行功率補(bǔ)償，實現(xiàn)負(fù)載功率的穩(wěn)定。綜上，采用最小值競爭策略實現(xiàn)S1的邏輯控制，而S2、S3控制可采用負(fù)載電壓反饋控制。圖10為設(shè)計的BDC?Boost TPC模式選擇器及PWM脈沖調(diào)制。圖中：vtri1、vtri2和vtri3為載波信號；vGC1和vGC2為變換器的調(diào)制波信號。BDC?Boost TPC的工作原理如下：

1） PPVgt;Po、vblt;vbref且iblt;ibref時，vOVRlt;0，輸入端處于MPPT控制，變換器工作在SIDO?M模式；

2） PPVgt;Po、vb=vbref（或ib≤ibref）時，vOVRlt;0，輸入端處于蓄電池恒壓（恒流）控制，變換器工作在SIDO?H模式；

3） PPVlt;Po時，vOVRgt;0，輸入端處于MPPT控制，變換器工作在DISO模式；

4） PPV=0時，vOVRgt;0，變換器工作在SISO模式。

3" 實驗結(jié)果

為驗證BDC?Boost TPC拓?fù)浞治龊涂刂撇呗缘暮侠硇耘c可行性，搭建了負(fù)載功率為120 W的實驗樣機(jī)，樣機(jī)參數(shù)如表1所示。

電感的參數(shù)按照變換器最大允許通過的電流及電流紋波設(shè)計，電容的參數(shù)根據(jù)變換器在最差的環(huán)境下允許的最大電壓紋波設(shè)計，控制器選用TMS320F28335。

圖11為BDC?Boost TPC各種工作模式之間切換的實驗波形。

圖11a）為BDC?Boost TPC從DISO模式切換到SIDO?H模式的實驗波形圖。當(dāng)iL1=4 A，iL2=0.5 A時，變換器工作在DISO模式下；當(dāng)電流iL1由4 A變?yōu)? A時，蓄電池由放電狀態(tài)轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)，蓄電池放電電流iL2從0.5 A變?yōu)?2 A，變換器由DISO模式切換至SIDO?H模式。

圖11b）為BDC?Boost TPC從DISO模式切換為SISO模式下的實驗波形圖。當(dāng)變換器工作在DISO模式下時，iL1=1.5 A，iL2=4 A。當(dāng)輸入電流iL1從2 A降為0時，蓄電池電流iL2從4 A變?yōu)?.5 A，系統(tǒng)實現(xiàn)了由DISO模式切換至SISO模式，驗證了模式切換理論的可行性。

圖11c）為BDC?Boost TPC由SIDO?M模式切換為SIDO?H模式的實驗波形。在SIDO?M模式下，輸入端為MPPT工作模式，蓄電池的充電電流小于2 A。當(dāng)蓄電池的充電電流達(dá)到設(shè)定值2 A時，若充電電流進(jìn)一步增大，變換器則轉(zhuǎn)換為SIDO?H模式。蓄電池的電流被控制在2 A，輸入端退出MPPT狀態(tài)，驗證了模式切換理論的可行性。

圖11d）給出了Boost?BDC輸入功率躍變的實驗波形。在輸入功率變換前，變換器工作在SIDO?H模式，iL1=6 A，iL2=-2 A；當(dāng)輸入功率由180 W變?yōu)?0 W時，蓄電池由充電模式轉(zhuǎn)換為放電模式，iL1=2 A，iL2=3 A，變換器切換至DISO模式。從圖中可以看到，蓄電池功率能夠隨著輸入功率的變化進(jìn)行快速響應(yīng)。

4" 結(jié)" 論

本文基于Boost和BDC變換器，提出了一種非隔離三端口DC?DC變換器——BDC?Boost TPC。對該變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了工作模式和工作模態(tài)分析，設(shè)計了基于最小值競爭策略的控制器，最后搭建了基于BDC?Boost TPC 120 W的獨(dú)立光伏系統(tǒng)控制實驗平臺。實驗結(jié)果表明，該三端口變換器拓?fù)淠軌驅(qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功率控制需求，并可實現(xiàn)功率的高效傳輸，具有工程實用性。另外，本文基于功率流法和基本DC?DC變換器構(gòu)建三端口變換器的思想，對三端口變換器新拓?fù)涞臉?gòu)建有一定的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄒才能，熊波，李士祥，等.碳中和背景下世界能源轉(zhuǎn)型與中國式現(xiàn)代化能源革命[J].石油科技論壇，2024，43（1）：1?17.

[2] 李玉鳳.國家能源局發(fā)布1—9月份全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)[N].中國電力報，2023?10?25（002）.

[3] 袁森.太陽能光伏技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用前景[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2023，13（9）：278?281.

[4] 邊博偉.太陽能光伏發(fā)電儲能控制研究[J].產(chǎn)品可靠性報告，2023（8）：43?44.

[5] 張盈曦.一種隔離型三端口雙向DC/DC變換器[D].杭州：浙江大學(xué)，2020.

[6] 劉計龍，朱志超，肖飛，等.一種面向艦船綜合電力系統(tǒng)的模塊化三端口直流變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2020，35（19）：4085?4096.

[7] 胡長斌，馬騰飛，馬建立，等.包含光儲供電系統(tǒng)三端口變換器工作狀態(tài)分析[J].電氣傳動，2023，53（5）：10?16.

[8] AFSHARI H， HUSEV O， VINNIKOV D. A novel isolated buck?boost DC?DC converter with wide range of voltage regulations [C]// 2023 IEEE 17th International Conference on Compatibility， Power Electronics and Power Engineering （CPE?POWERENG）. Tallinn， Estonia： IEEE， 2023： 1?6.

[9] 張子涵，祝龍記.寬輸入電壓的雙向DC/DC變換器的研究[J].電工技術(shù)，2023（22）：119?121.

[10] 張麗.一種交錯式雙向DC/DC變換器建模與分析[J].中國高新科技，2022（23）：93?96.

[11] ALJARAJREH H， LU D D C， SIWAKOTI Y P， et al. A nonisolated three?port DC?DC converter with two bidirectional ports and fewer components [J]. IEEE transactions on power electronics， 2022， 37（7）： 8207?8216.

[12] ALJARAJREH H， LU D D C， SIWAKOTI Y P， et al. A method of seamless transitions between different operating modes for three?port DC?DC converters [J]. IEEE access， 2021， 9： 59184?59195.

[13] 劉碩，高瑩，辛迪熙，等.非隔離儲能型三端口開關(guān)升壓變換器在光伏系統(tǒng)中應(yīng)用的研究[J].太陽能學(xué)報，2021，42（7）：139?145.

[14] ASKARIAN I， PAHLEVANI M， KNIGHT A M. Three?port bidirectional DC?DC converter for DC nanogrids [J]. IEEE transactions on power electronics， 2020， 36（7）： 8000?8011.

[15] ALJARAJREH H， LU D D C， SIWAKOTI Y P， et al. Synthesis and analysis of three?port DC?DC converters with two bidirectional ports based on power flow graph technique [J]. Energies， 2021， 14（18）： 5751.

[16] 高圣偉，祝慶同.一種獨(dú)立光儲發(fā)電系統(tǒng)用寬輸入范圍非隔離三端口變換器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2023，38（4）：970?982.

作者簡介：袁臣虎（1979—），男，河北邯鄲人，博士研究生，副教授，研究方向為人工智能ROS機(jī)器人仿真技術(shù)、DC?DC新拓?fù)渑c控制技術(shù)。

蘇嘉偉（1996—），男，山東淄博人，碩士研究生，研究方向為三端口DC?DC變換器拓?fù)渑c控制。