第 1 章  緒  論

1.1  課題來源及研究的背景和意義
當(dāng)今社會正經(jīng)歷著快速發(fā)展，煤炭、石油和天然氣等化石能源對世界經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步起了極大的促進作用。繼而隨著經(jīng)濟總量的不斷增加，社會發(fā)展的速度不斷增快，人們對能源的消耗也愈加巨大，但化石能源作為不可再生能源，正日益減少，如不能尋找到可替代能源，其最終將面臨枯竭。人們在享受化石能源給人類帶來便利的同時，化石能源消耗過程中產(chǎn)生大量的二氧化碳，也帶來的溫室效應(yīng)，使全球環(huán)境問題也越加嚴(yán)重，已經(jīng)到了刻不容緩的地步[1-3]。 近些年來，隨著技術(shù)的進步和科學(xué)的發(fā)展，人們對新能源的認(rèn)識不斷加深。新能源種類眾多，天然地存在環(huán)境中，對環(huán)境無污染，取之不盡用之不竭，是化石燃料理想的替代能源。以太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮転榇淼男履茉创蠖嘟?jīng)過變換后以電能形式被利用。在此背景下，新能源發(fā)電技術(shù)應(yīng)運而生，并且得到快速發(fā)展[4-6]。但與傳統(tǒng)的火電、水電等發(fā)電方式相比，新能源發(fā)電具有不確定性、波動性，且受外界環(huán)境變化影響大，使其輸出功率很不穩(wěn)定[7,8]，這些劣勢嚴(yán)重阻礙了新能源的使用和推廣。為了使新能源發(fā)電更好的服務(wù)于人類社會的發(fā)展，需要在新能源發(fā)電系統(tǒng)中加入儲能單元，作為功率平衡單元，起到削峰填谷，抑制功率波動的作用，最終提高新能源發(fā)電的供電可靠性。加入儲能單元后，新能源發(fā)電系統(tǒng)中會存在著多個電壓。目前，工程應(yīng)用中大多采用的是多個單輸入單輸出變換器相組合的方式，來實現(xiàn)能量管理和控制。其中，根據(jù)系統(tǒng)需要，有的變換器為單向變換器，例如連接光伏陣列和直流母線的變換器；由于系統(tǒng)中的蓄電池具有能量雙向流動的特點，因此直流母線和蓄電池之間的變換器為雙向的。這樣多個變換器相組合的新能源發(fā)電系統(tǒng)存在變換器數(shù)量多、能量多級變換、效率低，能量管理系統(tǒng)復(fù)雜，可靠性差等缺點[9]。三端口變換器（Three-port  converter，TPC）[10-13]是一種典型的同時包含儲能單元的新能源發(fā)電系統(tǒng)。 
........

1.2  三端口變換器國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
三端口變換器經(jīng)過近些年的發(fā)展，根據(jù)輸入輸出之間的電氣聯(lián)系，可以將 TPC 分為部分隔離型、隔離型和非隔離型。輸入端口和輸出端口之間沒有實現(xiàn)電氣隔離三端口變換器為非隔離型，結(jié)構(gòu)一般較為簡單，但升降壓能力比較有限，適用于電壓等級相差不太大的場合。根據(jù)端口所處位置及其連接方式，可以將非隔離型三端口變換器分為輸入串/并聯(lián)型、輸出串/并聯(lián)型和嵌入型三大類。輸入串/并聯(lián)型非隔離三端口變換器有兩個輸入源，一個輸出源，它主要是通過合理的設(shè)計將兩個輸入源在輸入端進行有效的串/并聯(lián)形成三端口變換器。文獻(xiàn)[14-15]提出了以 Buck-Boost 為基本拓?fù)�，將兩個或多個源在輸入端進行并聯(lián)，為了使每個源所在支路都變得可控，在每個并聯(lián)源支路上都增加一個開關(guān)管，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖 1-1 所示。此種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，易于控制，但只是對輸入端進行簡單的組合，各個輸入源不能同時工作，而且輸入源的電壓等級需要比較接近，限制了電源利用率。
.........

第 2 章  三端口變換器原理及工作過程分析

2.1  引言
本章介紹了一種應(yīng)用于光儲發(fā)電的三端口拓?fù)�，根�?jù)三個端口之間的功率關(guān)系，對拓?fù)涔ぷ髂Ｊ竭M行了研究。針對每種工作模式，對其工作原理進行分析，最后討論了三端口變換器在蓄電池充電模式和蓄電池放電模式的切換特性。
........

2.2  三端口拓?fù)浼胺�(wěn)態(tài)工作原理分析 

2.2.1  三端口拓?fù)?br />

三端口拓?fù)淙鐖D 2-1 所示，包括光伏輸入端（PV），蓄電池端（Battery）和負(fù)載端（R）。主電路主要由開關(guān)管，二極管和耦合變壓器組成，其中開關(guān)管 S1、S2、S3（D1、D2和 D3分別為開關(guān)管 S1、S2、S3的體二極管）起到控制功率路徑的作用；二極管 D4、D5防止功率的反向流動；耦合變壓器 T 的作用是能量的儲存和傳輸。 連接光伏陣列、負(fù)載和蓄電池的三端口功率變換裝置，以蓄電池作為功率平衡單元，根據(jù)端口之間的功率關(guān)系，可以將上述三端口變換器分為四種工作模式，如圖 2-2 所示。光伏陣列在保證負(fù)載供電優(yōu)先的條件下，剩余能量給蓄電池充電，功率流向如圖 2-2 a)所示。光伏陣列滿足負(fù)載功率的條件下，而此時蓄電池不需要充電，光伏陣列發(fā)出的能量對地分流，功率流向如圖 2-2 b)所示。光伏陣列獨自供電無法滿足負(fù)載的需求，需要同蓄電池聯(lián)合向負(fù)載供電，功率流向圖如 2-2 c)所示。光伏陣列無功率輸出，蓄電池獨自給負(fù)載供電，功率流向圖如 2-2 d)所示。 

.......  

第 3 章  三端口變換器控制系統(tǒng)設(shè)計與建模分析 ....... 20 
3.1  引言 .... 20 
3.2  三端口拓?fù)涔β柿飨蚣捌涞刃щ娐?........ 20 
3.3  三端口變換器控制策略分析 ........... 21
3.4  三端口變換器建模和分析 ...... 24 
3.5  本章小結(jié) ...... 28 
第 4 章  三端口變換器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計 ........ 29
4.1  引言 .... 29 
4.2  三端口變換器系統(tǒng) ........ 29 
4.3  三端口變換器主電路參數(shù)設(shè)計 ....... 29
4.4  三端口變換器輔助電路設(shè)計 ........... 31
4.5  三端口變換器軟件系統(tǒng)設(shè)計 ........... 34 
4.6  本章小結(jié) ...... 35 
第 5 章  仿真與實驗結(jié)果分析 .......... 36 
5.1  引言 .... 36 
5.2  三端口變換器系統(tǒng)樣機 .......... 36 
5.3  光伏陣列建模分析 ........ 37 
5.4  蓄電池充電區(qū)間仿真及實驗結(jié)果分析 ..... 39
5.5  分流區(qū)間仿真及實驗結(jié)果分析 ....... 43
5.6  蓄電池放電區(qū)間仿真及實驗結(jié)果分析 ..... 47
5.7  本章小結(jié) ...... 50

第 5 章  仿真與實驗結(jié)果分析

5.1  引言
在前四章分析的基礎(chǔ)上，在 MATLAB/Simulink 搭建光伏陣列和三端口變換器的仿真模型，對電路的蓄電池充電區(qū)間、分流區(qū)間和蓄電池放電區(qū)間進行了開環(huán)和閉環(huán)仿真，最后搭建一臺實驗樣機，對實驗結(jié)果進行測量分析。為測試方便，本課題實驗中用光伏模擬器代替光伏陣列作為輸入源，通過上位機設(shè)定與光伏陣列幾乎有相同的輸出特性。功率變換模塊包括為實現(xiàn)端口電壓和電流變換的三端口變換器，開關(guān)管的驅(qū)動單元和采樣單元等�？刂颇K集成了電壓調(diào)理電路、電流調(diào)理電路、保護電路和控制電路。根據(jù)三端口拓?fù)涔ぷ髟砗涂刂埔�，對三端口變換器工作在蓄電池充電區(qū)間進行了閉環(huán)仿真與實測分析，驗證拓?fù)湓诒ＷC負(fù)載穩(wěn)定的情況下，給蓄電池充電，且等效工作在 Boost 電路，最后進行了切載實驗。
......
 
結(jié)   論

本文以三端口變換器為研究對象，針對光伏發(fā)電中功率輸出的波動性和不確定性的問題，采用光儲發(fā)電一體化方式，使變換器的輸出功率變得可控，論文主要結(jié)論如下： 
（1）分析了三端口變換器的各個工作過程，將其劃分為蓄電池充電模式、分流模式、光伏陣列和蓄電池聯(lián)合供電模式、蓄電池獨自供電模式；根據(jù)外界條件的變化，確定了變換器在蓄電池充電模式和蓄電池放電模式之間平滑切換的動態(tài)要求。 
（2）提出了三端口變換器的控制策略。該控制策略包含了輸出電壓控制器、蓄電池電壓控制器、蓄電池電流控制器、輸入電壓控制器和工作區(qū)間控制器。上述控制器能使負(fù)載電壓在各個工作區(qū)間輸出穩(wěn)定，而且端口變量可控。 
（3）在 MATLAB/Simulink 搭建光伏陣列和三端口變換器的仿真模型，進行了蓄電池充電區(qū)間、分流區(qū)間和蓄電池放電區(qū)間的開閉環(huán)仿真，，驗證了設(shè)計的合理性。 
（4）設(shè)計了主電路參數(shù)，編寫了三端口變換器的軟件系統(tǒng)，最終搭建起了一臺試驗樣機并實驗，結(jié)果表明初步實現(xiàn)了功率按要求在端口之間流動功能。 
.........
參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：44970