基于光储系统的三端口变换器研究

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3个开关管来实现不同工作模式的平滑切换，分析了不同工作模式运行的能量流动状态，改变传统PI调节固定参数调节的思路，提出了一种非固定的PI参数调节方法，通过对比实验，实现了超调量的减小和调节速度的加快。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，验证其理论的可行性和有效性。

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 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 2.1. 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(S1~S3)、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Boost 特性。