一種獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)用寬輸入范圍非隔離三端口變換器

高圣偉 祝慶同

（1.天津工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院 天津 300387 2.天津市電氣裝備智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 天津 300387）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)“碳中和，碳達(dá)峰”的發(fā)展目標(biāo)，減小碳排放量，以太陽(yáng)能為代表的新能源得到了普遍的關(guān)注和發(fā)展[1-3]。但太陽(yáng)能和風(fēng)能等新能源的發(fā)電過(guò)程具有不穩(wěn)定性，嚴(yán)重依賴于天氣，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)較慢，儲(chǔ)能裝置的加入能夠有效地改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能[4-5]。傳統(tǒng)的包含儲(chǔ)能環(huán)節(jié)的新能源獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)常需多個(gè)獨(dú)立的DC-DC 或AC-DC 變換器連接輸入源、儲(chǔ)能電池和負(fù)載端，存在變換器數(shù)量多、體積大、功率密度低等問(wèn)題[6-8]。為了提高系統(tǒng)的功率密度，減少系統(tǒng)體積和設(shè)計(jì)成本，三端口變換器（Three-Port Converter,TPC）成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)，其只需要一個(gè)變換器便能夠完成光伏電池、蓄電池和負(fù)載之間的功率管理和能量控制[9-10]。

一般來(lái)說(shuō)，TPC 拓?fù)淇梢苑譃楦綦x型TPC 和非隔離TPC。隔離型TPC 易于實(shí)現(xiàn)升降壓和電氣隔離，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合[11-13]，而對(duì)小功率無(wú)需電氣隔離的應(yīng)用場(chǎng)合，非隔離型TPC 有著低成本、高功率密度和高效率等優(yōu)勢(shì)。由于光伏等新能源發(fā)電系統(tǒng)易受天氣的影響，存在間歇性的特點(diǎn)[5,13]，其輸入電壓也會(huì)隨著環(huán)境的變化在較寬范圍內(nèi)變化。因此，通過(guò)TPC 端口之間的拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)降壓、升壓或升降壓功能，從而適應(yīng)光伏電池端口電壓變化，減少TPC 儲(chǔ)能端口電壓對(duì)光伏電池端口電壓約束的研究是非常有必要的[13]。文獻(xiàn)[14]提出一種基于雙輸入變換器和雙輸出變換器的TPC 拓?fù)渖煞椒ǎ玫搅艘淮啬軌驅(qū)崿F(xiàn)各端口之間單級(jí)功率變換的非隔離型變換器拓?fù)洹５嵬負(fù)渚荒茉诠夥姵仉妷捍笥诨蛐∮谛铍姵仉妷旱囊环N情況下工作。文獻(xiàn)[15]提出一種輸入串聯(lián)式三端口拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)Buck、Boost、Buck-Boost 變換，靈活應(yīng)用在各種不同電壓等級(jí)場(chǎng)合。但主電源和蓄電池只能分時(shí)供電，且兩端口之間不能傳遞能量，降低了新能源的利用率和能量傳遞的效率。文獻(xiàn)[16]提出一種非隔離雙向三端口升降壓變換器，任意端口之間都能夠?qū)崿F(xiàn)雙向升降壓功率變換，以滿足光伏電池寬輸入范圍的要求。但由于有源和無(wú)源功率器件多，導(dǎo)致變換器體積大、效率低。文獻(xiàn)[17]提出一種集成雙電感的升壓轉(zhuǎn)換器和雙電感的雙向降壓轉(zhuǎn)換器的三端口變換器，具有功率密度高、效率高等優(yōu)點(diǎn)。但該拓?fù)渲挥性跐M足輸出電壓大于光伏電池端口電壓和儲(chǔ)能端口電壓時(shí)才能正常工作，一旦超出端口電壓限制，TPC 就無(wú)法正常工作。文獻(xiàn)[18]提出一種通過(guò)集成傳統(tǒng)的Buck、Boost 和Buck-Boost 變換器而得到可變結(jié)構(gòu)三端口變換器，具有光伏電池端口輸入范圍寬、結(jié)構(gòu)緊湊和功率器件利用率高等優(yōu)點(diǎn)。但光伏電池端口能量流向負(fù)載端口時(shí)，必須經(jīng)過(guò)蓄電池端口，因此，降低了能量從光伏端口傳遞到負(fù)載端口的效率，且光伏電池、蓄電池和負(fù)載3 個(gè)端口之間不共地。

為了克服以上缺點(diǎn)，本文提出一種寬輸入范圍的非隔離三端口變換器，該拓?fù)淠芟魅鮾?chǔ)能端口電壓對(duì)光伏電池端口電壓的約束，可實(shí)現(xiàn)光伏電池電壓在大于或小于蓄電池電壓的情況下工作，滿足光伏端口電壓寬輸入范圍變化的應(yīng)用需求。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出

TPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)推導(dǎo)的方法有很多，本文提出的寬輸入范圍TPC 是在文獻(xiàn)[14]中提出方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。首先以開(kāi)關(guān)管S5、電感L1和二極管VD3得到經(jīng)典結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)管和二極管之間的連接方式，得到如圖1 所示的三種經(jīng)典單元結(jié)構(gòu)；其次把輸入輸出連接到3 個(gè)節(jié)點(diǎn)上，可以得到傳統(tǒng)的Buck、Boost 和Buck-Boost 變換器，作為連接光伏端口和負(fù)載端口的通道。以開(kāi)關(guān)管S1～S4和電感L2構(gòu)成的雙向升降壓四開(kāi)關(guān) Buck-Boost（Four-Switch Buck-Boost,FSBB）[19-22]變換器作為連接光伏電池和蓄電池的通道，F(xiàn)SBB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示（Vpv和Vb分別為光伏電池和蓄電池電壓）；然后再增加一條功率流通路徑連接兩個(gè)變換器得到寬輸入范圍非隔離TPC，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示。圖3中，Vo為負(fù)載端口電壓，S1～S5為開(kāi)關(guān)管，L1、L2為電感，Cb、C0為電容，VD1～VD4為二極管。

圖1 三種典型的單元結(jié)構(gòu)Fig.1 Three typical cell structures

圖2 FSBB 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 FSBB Topology

圖3 寬輸入范圍TPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.3 Wide input range TPC topology

從器件數(shù)量和電壓特性方面對(duì)寬輸入范圍TPC進(jìn)行了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比，見(jiàn)表1。3 個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中蓄電池端口對(duì)光伏電池端口的電壓要求較不嚴(yán)格，均能工作在Vpv＞Vb和Vpv＜Vb的場(chǎng)合，因此均適用于光伏電池電壓隨環(huán)境變化而變化的可再生應(yīng)用。FSBoost TPC 相比FS-Buck TPC 和FS-Buck-Boost TPC功率器件較少，且負(fù)載輸出電壓正極性，因此FSBoost TPC 在獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)中更具有優(yōu)勢(shì)。下面以FS-Boost TPC 為例進(jìn)行詳細(xì)分析。

表1 寬輸入范圍TPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)比Tab.1 Comparison of wide input range TPC topology

2 工作原理與電壓穩(wěn)態(tài)分析

2.1 能量管理方式

為滿足獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用需求，根據(jù)光伏電池功率Ppv、蓄電池功率Pb和負(fù)載功率Po三者的大小關(guān)系，F(xiàn)S-Boost TPC 需滿足四種能量管理方式，F(xiàn)S-Boost TPC 功率流動(dòng)示意圖如圖4 所示。

圖4 FS-Boost TPC 功率流動(dòng)示意圖Fig.4 Schematic diagram of the FS-Boost TPC power flow

當(dāng)光伏電池處于弱光區(qū)時(shí)，其輸入功率Ppv不能滿足負(fù)載需求功率Po（Ppv＜Po），且蓄電池處于正常工作狀態(tài)。如圖4a 所示，該拓?fù)涔ぷ髟陔p輸入（Double-Input,DI）模式。

當(dāng)光伏電池處于強(qiáng)光區(qū)時(shí)，其輸入功率Ppv供給負(fù)載后還有剩余（Ppv＞Po），且蓄電池處于未充滿或虧電狀態(tài)。如圖4b 所示，該拓?fù)涔ぷ髟陔p輸出（Double-Output,DO）模式。

當(dāng)光伏電池處于強(qiáng)光區(qū)時(shí)，且蓄電池處于滿電狀態(tài)（Pb=0）。如圖4c 所示，該拓?fù)涔ぷ髟诠夥姵貑屋斎雴屋敵觯⊿ingle Input Single Output-PV,SISO-PV）模式。

當(dāng)光伏電池處于陰影區(qū)時(shí)，其沒(méi)有輸入功率（Ppv=0），且蓄電池處于正常工作狀態(tài)，如圖4d 所示，該拓?fù)涔ぷ髟谛铍姵貑屋斎雴屋敵觯⊿ingle Input Single Output-Battery,SISO-B）模式。

2.2 工作原理分析

本文提出的FS-Boost TPC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3a 所示，其包含一個(gè)光伏電池、一個(gè)蓄電池、5 個(gè)開(kāi)關(guān)管（S1～S5）、3 個(gè)二極管（VD1～VD3）、兩個(gè)電感（L1、L2）、1 個(gè)儲(chǔ)能電容Cb和1 個(gè)濾波電容Co。FS-Boost TPC 運(yùn)行模態(tài)如圖5 所示，該拓?fù)鋼碛?5種工作模態(tài)（M1～M15），通過(guò)選擇不同的工作模態(tài)可以實(shí)現(xiàn)在不同的模式下工作。所提FS-Boost TPC拓?fù)銿o＞Vpv是固有的約束限制，為了簡(jiǎn)化電路分析，假設(shè)條件如下：

圖5 FS-Boost TPC 運(yùn)行模態(tài)Fig.5 FS-Boost TPC run mode

（1）該拓?fù)涔ぷ髟谶B續(xù)模式下進(jìn)行分析。

（2）Cb、Co電容容值均足夠大，其電壓的紋波可忽略。

（3）開(kāi)關(guān)管S1～S5以及二極管VD1～VD3均為理想器件，不考慮寄生參數(shù)對(duì)變換器的影響。

2.2.1 雙輸入模式

當(dāng)Vo＞Vpv＞Vb時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2、S4、S5處于工作狀態(tài)，S1、S3保持關(guān)斷，包括三種工作模態(tài)（M6、M7、M8）。階段1：開(kāi)關(guān)管S2、S4導(dǎo)通，S5關(guān)斷。光伏電池和電感L1共同向負(fù)載供電，蓄電池對(duì)電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（1）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S4導(dǎo)通，S2和S5關(guān)斷。光伏電池和電感L1共同向負(fù)載供電，蓄電池和電感L2共同向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（2）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S4和S5導(dǎo)通，S2關(guān)斷。光伏電池對(duì)電感L1充電，蓄電池和電感L2共同向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（3）所示。

式中，iL1、iL2分別為流過(guò)電感L1、L2的電流。

當(dāng)Vo＞Vb＞Vpv時(shí)，開(kāi)關(guān)管S2、S4、S5處于工作狀態(tài)，S1、S3保持關(guān)斷，包括三種工作模態(tài)（M6、M9、M8）。階段1：開(kāi)關(guān)管S2、S4導(dǎo)通，S5關(guān)斷。光伏電池和電感L1共同向負(fù)載供電，蓄電池對(duì)電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（1）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S2、S4、S5均導(dǎo)通。光伏電池和蓄電池分別對(duì)電感L1和電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（4）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S4、S5繼續(xù)導(dǎo)通，S2關(guān)斷。光伏電池對(duì)電感L1充電，蓄電池和電感L2共同向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（3）所示。

當(dāng)Vb＞Vo＞Vpv時(shí)，開(kāi)關(guān)管S3、S4、S5處于工作狀態(tài)，S1、S2保持關(guān)斷，包括三種工作模態(tài)（M7、M8、M10）。階段1：開(kāi)關(guān)管S4導(dǎo)通，S3和S5關(guān)斷。光伏電池和電感L1共同向負(fù)載供電，蓄電池和電感L2向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（2）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S4、S5繼續(xù)導(dǎo)通，S3關(guān)斷。光伏電池對(duì)電感L1充電，蓄電池和電感L2共同向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（3）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S3、S5導(dǎo)通，S4關(guān)斷，光伏電池對(duì)電感L1充電，電感L2通過(guò)開(kāi)關(guān)管S3續(xù)流向負(fù)載供電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（5）所示。

2.2.2 雙輸出模式

當(dāng)Vo＞Vpv＞Vb時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S2、S4、S5處于工作狀態(tài)，S3保持關(guān)斷，包括三種工作模態(tài)（M11、M12、M13）。階段1：開(kāi)關(guān)管S1、S4、S5導(dǎo)通，S2關(guān)斷，光伏電池一方面對(duì)電感L1充電；另一方面聯(lián)合電感L2共同向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（6）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，S2、S5關(guān)斷，光伏電池一方面聯(lián)合電感L1共同向負(fù)載供電；另一方面聯(lián)合電感L2共同向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（7）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S2、S4導(dǎo)通，S1、S5關(guān)斷。光伏電池一方面聯(lián)合電感L1共同向負(fù)載端；另一方面電感L2通過(guò)開(kāi)關(guān)管S2續(xù)流向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（1）所示。

當(dāng)Vo＞Vb＞Vpv時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S3、S4、S5處于工作狀態(tài)，S2保持關(guān)斷。該模式下包括三種工作模態(tài)（M14、M11、M12）。階段1：開(kāi)關(guān)管S1、S3、S5導(dǎo)通，S4關(guān)斷。光伏電池同時(shí)對(duì)電感L1和電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（8）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S1、S4、S5導(dǎo)通，S3關(guān)斷。光伏電池一方面對(duì)電感L1充電；另一方面聯(lián)合電感L2向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（6）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，S3、S5關(guān)斷。光伏電池一方面聯(lián)合電感L1向負(fù)載供電；另一方面聯(lián)合電感L2共同向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（7）所示。

當(dāng)Vb＞Vo＞Vpv時(shí)，開(kāi)關(guān)管S1、S3、S4、S5處于工作狀態(tài)，S2保持關(guān)斷。包括三種工作模態(tài)（M14、M15、M12）。階段1：開(kāi)關(guān)管S1、S3、S5導(dǎo)通，S4關(guān)斷。光伏電池同時(shí)對(duì)電感L1和電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（8）所示。階段2：開(kāi)關(guān)管S1、S3導(dǎo)通，S4、S5關(guān)斷。光伏電池一方面聯(lián)合電感L1向負(fù)載供電；另一方面對(duì)電感L2充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（9）所示。階段3：開(kāi)關(guān)管S1、S4導(dǎo)通，S3、S5關(guān)斷。光伏電池一方面聯(lián)合電感L1向負(fù)載供電；另一方面聯(lián)合電感L2向蓄電池充電，電感的動(dòng)態(tài)關(guān)系如式（7）所示。

2.2.3 單輸入單輸出模式

單輸入單輸出模式包括光伏電池單輸出（SISOPV）模式和蓄電池單輸入單輸出（SISO-B）模式。在SISO-PV 模式下，F(xiàn)S-Boost TPC 可以等效為傳統(tǒng)的Boost 變換器，包括兩種工作狀態(tài)（M1、M2）。在SISO-B 模式下，當(dāng)Vb＜Vo時(shí)，該TPC 等效為傳統(tǒng)的Boost 變換器，包括兩種工作狀態(tài)（M3、M4）；當(dāng)Vb＞Vo時(shí)，該TPC 等效為傳統(tǒng)的Buck 變換器，包括兩種工作狀態(tài)（M4、M5），這里不再詳細(xì)分析。

2.3 電壓穩(wěn)態(tài)分析

FS-Boost TPC 三個(gè)端口對(duì)應(yīng)的電壓分別為Vpv、Vb、Vo，光伏電池與負(fù)載之間的能量傳遞由電感L1承擔(dān)，光伏電池與蓄電池之間的能量傳遞由電感L2承擔(dān)，蓄電池與負(fù)載之間的能量傳遞也由電感L2承擔(dān)，設(shè)開(kāi)關(guān)管S1、S2、S3、S4、S5的占空比分別為dS1、dS2、dS3、dS4、dS5。

當(dāng)Vo＞Vpv＞Vb時(shí)，根據(jù)伏秒平衡原理可得

根據(jù)式（10）～式（12），可以得到3 個(gè)端口間電壓關(guān)系式為

當(dāng)Vo＞Vb＞Vpv時(shí)，根據(jù)伏秒平衡原理可得

根據(jù)式（16）～式（18），可以得到3 個(gè)端口間電壓關(guān)系式為

當(dāng)Vb＞Vo＞Vpv時(shí)，根據(jù)伏秒平衡原理可得

根據(jù)式（22）～式（24），可以得到3 個(gè)端口間電壓關(guān)系式為

3 控制與調(diào)制策略

為了保證獨(dú)立新能源發(fā)電系統(tǒng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行，F(xiàn)S-Boost TPC 需要實(shí)現(xiàn)輸出電壓恒定、電池保護(hù)和最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking,MPPT）3 個(gè)功能，由第2 節(jié)分析可知，該拓?fù)湓诠ぷ鲿r(shí)最多有兩條功率流通路徑，即只需要控制拓?fù)渲械膬蓚€(gè)端口，第三個(gè)端口作為功率補(bǔ)償器，圖6 為不同約束條件下動(dòng)態(tài)切換對(duì)應(yīng)的功率輸出，依據(jù)圖6 進(jìn)行控制與調(diào)制策略的設(shè)計(jì)。

圖6 模式切換下的約束條件Fig.6 Constraints under mode switching

FS-Boost TPC 控制策略框圖如圖7 所示。所提控制策略擁有3 個(gè)控制器：MPPT 的輸入電壓控制器（Input Voltage Regulator,IVR）、蓄電池充電的電流控制器（Battery Current Regulator,BCR）、穩(wěn)定輸出電壓的輸出電壓穩(wěn)壓器（Output Voltage Regulator,OVR），MPPT 算法采用P&O 算法[23]，模式識(shí)別與切換控制器用于FS-Boost TPC 模式間的動(dòng)態(tài)切換與占空比對(duì)應(yīng)輸出，Ppv、Po和蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge,SOC）作為動(dòng)態(tài)切換和電池保護(hù)信號(hào)，其中SOC 估算采用安時(shí)積分法[24]。下面以Vo＞Vpv＞Vb和Vo＞Vb＞Vpv為例詳細(xì)敘述。

圖7 FS-Boost TPC 控制策略框圖Fig.7 The FS-Boost TPC control policy block diagram

1）Vo＞Vpv＞Vb

當(dāng)光伏電池處于陰影區(qū)，Ppv=0，且蓄電池處于正常工作狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC 運(yùn)行在SISO-B 模式，通過(guò)OVR 控制開(kāi)關(guān)管S2來(lái)穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

當(dāng)光伏電池由陰影區(qū)轉(zhuǎn)移到弱光區(qū)，Ppv＜Po，且蓄電池處于正常工作狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC 由SISO-B 模式切換至DI 模式。一方面通過(guò)IVR 控制開(kāi)關(guān)管S5使其工作在最大功率點(diǎn)；另一方面OVR控制開(kāi)關(guān)管S2來(lái)穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

當(dāng)光伏電池由弱光區(qū)轉(zhuǎn)移到強(qiáng)光區(qū)，Ppv＞Po，且蓄電池處于未充滿或虧電狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC由DI 模式切換至DO 模式。一方面通過(guò)IVR 控制開(kāi)關(guān)管S5使其工作在最大功率點(diǎn)；另一方面多余的能量通過(guò)OVR 外環(huán)、BCR 內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制開(kāi)關(guān)管S1和S2輸送給蓄電池進(jìn)而維持負(fù)載端電壓穩(wěn)定。同時(shí)，能量管理控制器判斷電池的SOC 是否處于正常，進(jìn)而對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。

當(dāng)光伏電池處于強(qiáng)光區(qū)，且蓄電池處于已充滿狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC 運(yùn)行由 DO 模式切換至SISO-PV 模式。光伏電池退出最大功率運(yùn)行模式，通過(guò)OVR 控制開(kāi)關(guān)管S5來(lái)穩(wěn)定負(fù)載端電壓。

2）Vo＞Vb＞Vpv

當(dāng)Vo＞Vb＞Vpv時(shí)，SISO-B 模式、DI 模式和SISO-PV 模式控制策略與上述Vo＞Vpv＞Vb約束條件下控制策略相同，這里不再贅述。

當(dāng)光伏電池由弱光區(qū)轉(zhuǎn)移到強(qiáng)光區(qū)，Ppv＞Po，且蓄電池處于未充滿或虧電狀態(tài)時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC由DI 模式切換至DO 模式。一方面通過(guò)IVR 控制開(kāi)關(guān)管S5使其工作在最大功率點(diǎn)；另一方面多余的能量通過(guò)OVR 外環(huán)、BCR 內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制開(kāi)關(guān)管S3和S4輸送給蓄電池進(jìn)而維持負(fù)載端電壓穩(wěn)定。同時(shí)，能量管理控制器判斷電池的SOC 是否處于正常，進(jìn)而對(duì)蓄電池進(jìn)行保護(hù)。

脈沖調(diào)制方案如圖8 所示，vtri1和vtri2為鋸齒載波，vc1～vc5分別為vgs1～vgs5的占空比信號(hào)。當(dāng)Vo＞Vpv＞Vb時(shí)，DI 模式下，為了減小負(fù)載輸出電流紋波，使開(kāi)關(guān)管S2和S5交錯(cuò)導(dǎo)通。vc2、vc4與vtri1相交，vc5與vtri2相交，通過(guò)PWM，其工作模態(tài)為M6、M7 和M8，如圖8a 所示。DO 模式下，vc1、vc4和vc5均與vtri1相交，通過(guò)PWM，其工作模態(tài)為M11、M12 和M13，如圖8b 所示。同理，當(dāng)Vo＞Vb＞Vpv時(shí)，DI 模式下，vc2、vc4與vtri1相交，vc5與vtri2相交，通過(guò)PWM，其工作模態(tài)為M6、M9 和M8，如圖8c 所示。DO 模式下，vc1、vc3和vc5均與vtri1相交，通過(guò)PWM，其工作模態(tài)為M14、M11 和M12，如圖8d 所示。利用所設(shè)計(jì)的調(diào)制策略，可以實(shí)現(xiàn)不同約束條件下DI 模式和DO 模式間的切換。

圖8 脈沖調(diào)制方案Fig.8 Pulse modulation scheme

4 實(shí)驗(yàn)分析

為驗(yàn)證FS-Boost TPC 理論分析的正確性和控制策略的可行性，搭建一臺(tái)負(fù)載功率為144 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，以Vo＞Vb＞Vpv和Vo＞Vpv＞Vb為例進(jìn)行詳細(xì)分析。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9 所示，實(shí)驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.9 Experimental prototype

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Experimental parameters

4.1 穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)分析

圖10 為DI 模式下Vpv=30 V，Vb=24 V 的實(shí)驗(yàn)波形，圖10a 為開(kāi)關(guān)管S2、S4、S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖10b 為電感電流iL1、iL2和輸出電壓Vo波形，兩電感電流方向一致。此模式下，光伏電池輸入功率無(wú)法滿足負(fù)載需求，其余能量由蓄電池提供，輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了該理論分析的正確性。

圖10 Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)DI 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.10 Experimental waveforms of DI mode when Vpv=30 V and Vb=24 V

圖11 為DO 模式下Vpv=30 V，Vb=24 V 的實(shí)驗(yàn)波形，圖11a 為開(kāi)關(guān)管S1、S2、S4、S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖11b 為電感電流iL1、iL2和輸出電壓Vo波形，兩電感電流方向相反。此模式下，光伏電池輸入的功率滿足負(fù)載需求后還有剩余，多余的能量輸送給蓄電池充電，輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖11 Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)DO 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.11 Experimental waveforms of DO mode when Vpv=30 V and Vb=24 V

圖12 為DI 模式下Vpv=18 V，Vb=24 V 的實(shí)驗(yàn)波形，圖12a 為開(kāi)關(guān)管S2、S4、S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖12b 為電感電流iL1、iL2和輸出電壓Vo波形，兩電感電流方向一致。此模式下，光伏電池輸入功率無(wú)法滿足負(fù)載需求，其余能量由蓄電池提供，輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖12 Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)DI 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.12 Experimental waveforms of DI mode when Vpv=18 V and Vb=24 V

圖13 為DO 模式下，Vpv=18 V，Vb=24 V 的實(shí)驗(yàn)波形，圖13a 為開(kāi)關(guān)管S1、S3、S4、S5驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形，圖13b 為電感電流iL1、iL2和輸出電壓Vo波形，兩電感電流方向相反。此模式下，光伏電池輸入的功率滿足負(fù)載需求后還有剩余，多余能量輸送給蓄電池充電，輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖13 Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)DO 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.13 Experimental waveforms of DO mode when Vpv=18 V and Vb=24 V

4.2 動(dòng)態(tài)切換實(shí)驗(yàn)分析

SISO-B 模式切換到DI 模式實(shí)驗(yàn)波形如圖14所示。圖14a 為Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)SISO-B 模式切換到DI 模式的相關(guān)波形，圖14a 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1均從0 A 增加至2 A，電感電流iL2從6 A 減小至3.5 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖14b 為Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)SISO-B 模式切換到DI 模式的相關(guān)波形，圖14b 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1均從0 A 增加至2 A，電感電流iL2從6 A 減小至4.5 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖14 SISO-B 模式切換到DI 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.14 SISO-B mode switching to DI mode experimental waveforms

DI 模式切換到DO 模式實(shí)驗(yàn)波形如圖15 所示。圖15a 為Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)DI 模式切換到DO模式的相關(guān)波形，圖15a 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1從2 A增加至4.8 A，電感電流iL2從3.5 A 減小至零后反向增加直至1 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖15 DI 模式切換到DO 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.15 DI mode switch to DO mode experimental waveforms

圖15b 為Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)DI 模式切換到DO 模式的相關(guān)波形，圖15b 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1從2 A 增加至8 A，電感電流iL2從4.5 A 減小至零后反向增加直至 1.5 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

DO 模式切換到SISO-PV 模式實(shí)驗(yàn)波形如圖16所示。圖16a 為Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)DO 模式切換到SISO-P 模式的相關(guān)波形，圖16a 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1重新恢復(fù)至4.8 A，電感電流iL2從1 A 減小至0 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖16b 為Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)DO 模式切換到SISO-PV 模式的相關(guān)波形，圖16b 右側(cè)為模式切換過(guò)程的局部放大波形，可以看到在4 ms 內(nèi)電感電流iL1重新恢復(fù)至8 A，電感電流iL2從1.5 A 減小至0 A。輸出電壓Vo基本穩(wěn)定在48 V，證明了理論分析的正確性。

圖16 DO 模式切換到SISO-PV 模式實(shí)驗(yàn)波形Fig.16 DO mode switch to SISO-PV mode experimental waveforms

4.3 光伏電池輸入功率階躍實(shí)驗(yàn)

由于MPPT 并非本文的主要研究?jī)?nèi)容，因此本文并未實(shí)現(xiàn)MPPT 控制，而是采用恒壓特性的電源代替光伏電池，通過(guò)變換器控制恒壓源的輸出電流，進(jìn)而控制恒壓源的輸出功率，從而模擬光伏電池的功率變化。光伏電池輸入功率階躍實(shí)驗(yàn)分析如下。

圖17 為Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)，F(xiàn)S-Boost TPC工作在DI 模式下，光伏電池輸入功率由36 W 增加到81 W 時(shí)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)波形。由圖17 可以看出，光伏電池輸入電壓Vpv=18 V 和輸出電壓Vo=48 V 恒定，光伏電池輸入電流ipv由2 A 變?yōu)?.5 A，蓄電池測(cè)電感電流iL2由4.5 A 變?yōu)?.625 A。證明了理論分析的正確性。

圖17 光伏電池輸入功率階躍實(shí)驗(yàn)波形Fig.17 Experimental waveforms of PV input power step

4.4 效率分析

圖18 為Vpv=30 V、Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)變換器效率隨輸出功率變化而變化的曲線。DI 模式下，蓄電池處于放電狀態(tài)，效率是在輸出電壓Vo=48 V恒定、負(fù)載由57.6 Ω 逐漸減小至14.4 Ω，輸入功率隨負(fù)載的減小由40 W 逐漸增大至160 W 所測(cè)得，效率計(jì)算表達(dá)式為η=Po/(Ppv+Pb)。DO 模式下，電池處于充電狀態(tài)，效率是在輸出電壓Vo=48 V 恒定、負(fù)載由57.6 Ω 逐漸減小至14.4 Ω，輸入功率隨負(fù)載的減小由60 W 逐漸增大至180 W（即光伏電池最大輸入功率）所測(cè)得，效率計(jì)算表達(dá)式為：η=(Po+Pb)/Ppv。

圖18 FS-Boost TPC 效率曲線Fig.18 FS-Boost TPC efficiency curves

可以看到，在測(cè)試范圍內(nèi)輸出效率最大為97.8%。FS-Boost TPC 效率隨著輸入功率的增加而減小，且當(dāng)Vpv=30 V，Vb=24 V 時(shí)FS-Boost TPC 效率明顯大于Vpv=18 V，Vb=24 V 時(shí)效率。其主要原因是同一工作模式下，相同的光伏電池輸入功率，光伏電池電壓越小，其輸入電流越大，該變換器開(kāi)關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗越大，進(jìn)而導(dǎo)致輸出效率越低。

5 結(jié)論

本文基于傳統(tǒng)的Buck、Boost 和Buck-Boost 變換器分別與FSBB 變換器進(jìn)行組合提出一種寬輸入范圍非隔離TPC。以FS-Boost TPC 為例進(jìn)行理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)研究表明，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能工作在光伏電池電壓大于或小于蓄電池電壓的場(chǎng)合，滿足光伏電池端口電壓寬輸入范圍變化的實(shí)際需求。控制策略的設(shè)計(jì)能夠保證該拓?fù)淠Ｊ介g的快速切換。因此，所提變換器適用于以光伏電池、蓄電池和負(fù)載構(gòu)成的獨(dú)立光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)。