刘清茂, 刘晓东, 张前进, 孙海涛

(1.安徽工业大学 电力电子与运动控制重点实验室,安徽 马鞍山 243032;2.国网抚顺供电公司,辽宁 抚顺 113008)

0 引 言

传统的直流微网中,将分布式电源、储能装置和负载三者通过独立的转换装置连接到直流母线,系统结构复杂、体积庞大,运行成本高［1］。而多端口变换器(multi-port converter,MPC)具备多个电压等级,可以满足多种能量输入,控制简单、结构紧凑［2］。

从MPC的电气隔离程度来进行划分,可分为非隔离型、部分隔离型以及完全隔离型。文献［3］提出了一种多输入的Buck-Boost变换器,输入采用分时控制,功率不能双向传递。文献［4］提出了一种桥式三端口变换器,利用一个全桥集成了三个端口,但缺乏电气隔离、电压增益低。非隔离型变换器不能适用,需要输入/输出间相互隔离的应用场景,且软开关实现困难。文献［5］提出了一种Buck-Boost电路与移相全桥集成的部分隔离型MPC,该变换器有较高的功率密度,较易实现软开关。文献［6］在文献［5］的基础上,针对家庭直流微电网提出了两输入两输出的四端口交换器(four-port converter, FPC),但此类变换器输入和输出之间功率不能双向传递。文献［7］提出一种基于双向全桥的部分隔离型FPC,可以实现功率双向传递,但开关管数量较多,控制方法较复杂且电池处于自由充放电,降低了电池的使用寿命。文献［8］以双有源桥变换器为基础,拓展两个全桥形成四有源桥,各端口之间完全隔离,具备较高的电压增益,各端口能量可以相互流动,但开关管数目较多,体积较大。

综上分析,在文献［5］的基础上根据家庭直流微电网的需求,提出了一种能量可以双向传递的部分隔离型四端口变换器。本文详细描述了变换器的拓扑结构、功率传输模式以及控制策略,并在Simulink中搭建了仿真模型,仿真结果验证了该变换器的可行性以及控制策略的正确性。

1 四端口变换器拓扑结构

图1为部分隔离型四端口DC-DC变换器电路拓扑,其有四个端口(储能端口Vbat、光伏端口VPV、高压输出端口VoH1和低压输出端口VoL2)。Vbat端口与VPV端口两者构成的双向Buck-Boost电路与全桥桥壁开关管S1～S4复用,形成双向交错Buck-Boost电路,可以减小光伏输出电流iPV的纹波,降低了开关的数量,中间通过高频变压器T进行隔离,使得该变换器输入与输出之间具有一定的安全性。副边采用半桥整流电路使该变换器具备功率双向传递的功能,实现了输出电压的倍压,也进一步降低了开关管的数量,输出端结合同步Buck电路形成了高低压两输出端口。相对于其他变换器来说,本文所提出的新型FPC,拓扑结构对称,具备较高的功率密度,可满足多电压等级同时输入/输出,端口之间能量可以相互流动。

2 四端口变换器功率传输模式分析

考虑到输入源光伏端发电易受外界环境影响以及输出端负载需求功率会发生变化,本文结合变换器拓扑结构将其功率传输模式分为以下四种。

模式一:光照强度S=1 000 W/m2,光伏在最大功率点跟踪(maximum power point tracking, MPPT)控制下工作,光伏端发出的功率正好满足高低压输出端负载所需功率的总和。储能端维持输入母线电压,既不充电也不放电,传输模式如图2(a)所示。

图2 四端口变换器不同功率传输模式

模式二:光照强度S跌落,光伏还能正常工作但光伏端所发出的功率小于输出端所需功率的总和,此时储能端参与工作。光伏端和储能端同时为输出端提供能量,传输模式如图2(b)所示。光照强度S跌落为0,光伏不能工作,此时输出端所需功率由储能端提供,传输模式如图2(c)所示。

模式三:光照强度不变 ,负载发生突变,高低压输出端所需功率的总和大于光伏端发出功率,此时储能端和光伏端同时为输出端提供能量,传输模式如图2(b)所示。相反当输出端所需功率的总和小于光伏端发出的功率,此时多出来的能量由储能端吸收,传输模式如图2(d)所示。

模式四:当输出端处于馈能或极端天气下储能端需要补充能量时,此时变换器应工作在反向模式下,其传输模式如图2(e)所示。

3 四端口变换器控制策略

所提出的FPC为集成式变换器,在保证储能端与光伏端之间功率平衡的前提下,最为关键的是要实现各端口之间的功率解耦。所研究的变换器系统控制框图如图3所示,可以看出该变换器控制系统共分为两个部分:① 原边控制器:光伏、储能端电压控制器PI1、PI2; ② 副边控制器,低、高压输出端电压控制器PI3、PI4。

图3 四端口变换器系统控制框图

3.1 四端口变换器原边控制器

光伏发电具有间歇性与波动性,为了使其能够稳定发电,通常采用的控制方法为MPPT,本文采用的是电导增量法,如图4所示。原边共有两个控制器:光伏端电压控制器PI1,用来实现光伏的MPPT控制;储能端电压控制器PI2,用来实现储能端口电压的恒压控制,而由于原边的开关管复用在一起,因此在同一时刻只能有一个控制器的输出量有效。本文采用竞争机制将两者的输出变量占空比DPV、Dbat进行比较,取其大者作为开关管S1～S4的驱动信号。

图4 原边控制器PI1、PI2

3.2 四端口变换器副边控制器

副边高压输出端电压控制器,用于维持高压输出端电压的稳定以及决定变换器的传输方向,采用单移相的控制方法如图5所示,其输出变量移相角Ф为开关管S5～S6的驱动信号。低压输出端电压控制器,用于维持低压输出端电压的稳定,采用占空比控制如图5所示,其输出变量占空比DoL为开关管Q1～Q2的驱动信号。可以看出,在任一时刻原边总有一个控制器的输出变量来驱动开关管S1～S4,副边各端口之间能够实现功率解耦,该变换器可以正常运行。

图5 副边控制器PI3、PI4

4 仿真试验及分析

4.1 仿真参数

为了验证部分隔离型FPC控制策略的正确性,利用MATLAB/Simulink软件搭建了该变换器的仿真模型进行试验验证。电路主要仿真参数如表1所示,光伏仿真参数如表2所示。

表2 光伏仿真参数

4.2 仿真试验分析

根据第2节所述部分隔离型FPC的传输模式,对其进行仿真分析,仿真结果如下。

模式一:光伏在1 000 W/m2光照强度下,发出的功率满足负载所需要的功率。图6为FPC四个端口的电压电流以及输出功率情况,可以看出光伏工作在最大功率点输出功率为1 001 W,高压输出端电压稳定在400 V所需功率为905 W,低压输出端电压稳定在48 V所需功率为96 W,光伏端发出功率满足输出端所需功率总和,储能端电压为100 V,输出功率为0 W。

图6 模式一仿真波形

模式二:光照强度下降,光伏发出功率减小。① 光照强度S跌落至600 W/m2时光伏输出功率减小,不足以满足负载所需要的功率,此时储能端参与工作。从图7可以看出,在0.5 s之后,光照跌落为600 W/m2,此时光伏发出功率变为550 W,远小于输出端负载所需功率,储能端输出功率从0 W变为450 W提供了剩下的能量,输出端经过短暂的调节后依然保持稳定。② 没有光照时,光伏的MPPT控制由电池的恒压控制代替,此时储能端向负载提供功率。从图8可以看出,在0.5 s之后,由于光照强度为零,光伏输出功率为零,储能端作为输入源为负载提供1 000 W的功率,高压端输出经过0.1 s调节之后保持稳定,整个切换过程中变换器能够稳定运行。

图7 模式一切换到模式二仿真波形(a)

图8 模式一切换到模式二仿真波形(b)

模式三:光照强度不变,负载端发生突变。图9、图10分别为高压输出端负载需求功率由905 W转变为500 W以及1 200 W情况,可以看出在0.5 s时储能端功率分别由0 W转变为405 W以及295 W,储能端、光伏端和输出端三者之间的功率传输能够平滑流动,输出电压能够维持稳定。

图10 模式一切换到模式三仿真波形(b)

模式四:变换器正反向工作模式切换。图11中,0.5 s前变换器工作在模式一,在0.5 s时对变换器进行反向切换,光伏端输出功率为零,高压输出端负载变为400 V的电压源,反向给储能端充电以及给低压侧供电。从图11可以看出,高压输出端功率为600 W、输出电流为1.5 A,储能端电流为5 A、功率为500 W,0.65 s后变换器正向运行,此时变换器又稳定运行在模式二图8情况。

图11 模式四仿真波形

5 结束语

针对家庭直流微电网的应用场景,本文提出了一种FPC拓扑结构及其控制策略,实现了端口的“即插即用”、端口间能量的相互流动、电气隔离以及多电压等级输出等功能。该变换器原边通过功率器件复用,采用控制器竞争的方式,实现了光伏端MPPT和储能端充放电的控制,对比其他MPC,控制更加简单,降低了成本。从仿真结果可以看出,本文所设计的控制策略,能够实现各端口电压的稳定并且在不同的功率传输模式切换下,没有出现占空比丢失,变换器不能工作的现象,保证了变换器的稳定性和有效性。本文所提出的FPC拓扑结构及其控制策略相对简单,容易实现,为家庭直流微电网发展应用奠定一定的基础。