摘 要

随着社会的发展，传统能源的消耗已经不能满足人们对于生产的需求，并且由此造成的环境问题也越来越不可忽视。与传统能源发电相比，太阳能发电的优点显而易见，但是太阳能发电具有不确定性，受气象条件影响较大，输出功率起伏大。为了使输出电能质量得到改善，提高光伏发电的供电质量，需要加入储能装置，来改善功率波动。

光伏发电系统一般包括太阳能电池负载和储能装置，在这三个部分之间有DC-DC变换器对来实现对电能的传输和存储控制。如果选择多个DC-DC变换器，将会降低电能的传输和利用效率，它们的控制也会比较困难。如果用一个集成的多端口的来代替多个二端口变换器变，可简化光伏发电系统的直流变换和控制电路，提高功率变换的效率。

本文根据三端口直流变换器的研究现状和发展趋势，针对小功率光伏系统，选择单向变换器实现光伏输入储能电池与直流负载之间的能量平衡。本文分析了三端口直流变换器的工作原理和特性，选用升压斩波电路和反激变换器，对主电路、控制电路参数进行计算选择，并利用MATLAB软件对结果进行仿真。

关键词：光伏、直流变换器、储能电池

ABSTRACT

With the development of society, the consumption of traditional energy can not meet people's demand for production. And the environmental problems caused by the energy consuming can not be ignored. Compared with the traditional energy generation, solar power has obvious advantages. But the solar power generation is intermittent and stochastic and is greatly affected by meteorological conditions. The output solar power fluctuates according to the weather or illumination. In order to improve the quality of the output power and improve the quality of power supply of the PV, it is necessary to add the energy storage device to improve the power fluctuation.

Photovoltaic power generation system generally includes solar cell, load and energy storage devices. Between the three parts there will be DC-DC converters to achieve the control of the power transmission and storage. If several DC-DC converters are selected, it will reduce the power transmission and utilization efficiency and its control will be more complex. If an integrated multi-port DC converter is used, compared with the traditional implementation of multi DC converters, the power transmission and control can be simplified and the efficiency of the power conversion can be improved.

Based on the research and development trend of the three-port DC converter, the unidirectional converter is selected for the low power photovoltaic system to realize the energy balance between the PV input, the battery and the load. This thesis selects the boost converter and fly-back converter to form a three-port DC converter and analyses the working principle and characteristics of the converter. After calculating the parameters of the main circuit and the control circuit, the results are simulated by MATLAB.

Key words: Photovoltaic, DC converter, Energy storage battery

第1章 绪论

能源是社会文明发展的坚实基础。随着社会的快速发展，能源消耗总量近几年来越来越高，能源的供应压力也随之不断增大。由于化石能源的不节制使用，环境受到了严重的污染，生态环境受到了巨大的破坏^[1-3]。因此，全世界都在寻找经济快速发展和社会可持续发展的平衡点，能够在利用有限的资源和不破坏环境的前提下快速、平稳、有效率的发展经济已成为人类共同的热点问题。

为了平衡经济发展和环境保护，世界各国都开始大力发展绿色经济，积极进行节能减排。而节能大多是从两方面进行的，首先主要是开发可以替代传统能源的新能源，其次在对现有能源的利用过程中要提高利用率以降低环境污染和资源浪费^[4-6]。大力发展清洁能源，是推进节能减排的重要手段，太阳能发电和风力发电是现在发展最快的两种新能源形式。电能作为当前最直接的能源使用方式，人们生活中的各种电器，工作中的各种机械都要依靠电能的驱动。因而提高电能利用率，大力发展高效的变换器设备是提高当今社会能源利用率的另一个重要手段。

目前广泛认可的解决办法之一就是对清洁可再生能源的利用，而太阳就是其中一种理想的能源。光伏发电是利用太阳能的主要途径之一，在光伏发电获取能量的过程当中相比其他能源利用形式有很多优点，光伏发电技术作为新能源技术的重要构成部分之一，是一种有着广阔发展前景的新技术。光伏发电的本质就是将太阳能转换为电能的过程。全世界光伏发电技术的研究已经进行了一百多年，光伏发电技术的核心是太阳能光伏电池。太阳电池组件是由许多个小的太阳能电池板串联后封装保护组成的，然后再给它们配上控制器、输入输出终端总线、逆变器等部件后就形成了光伏发电装置。

光伏发电系统一般包括太阳能电池、负载和储能装置，在这三个部分之间有DC-DC变换器来实现对电能的传输和存储控制^[7-8]。如果选择多个DC-DC变换器，将会降低电能的传输和利用效率，它们的控制也会比较困难。如果用一个集成的多端口变换器来代替多个二端口变换器，可简化光伏发电系统的直流变换器结构和控制电路，提高功率变换的效率。这样有以下几个优点^[9-10]：

(1) 避免了使用大量的功率开关器件，从而简化了控制电路，并且降低了系统功率损耗，提高了系统的效率。

(2) 集中控制更加简便，系统稳定性会更好。

(3) 有利于降低系统的成本，使系统小型化。

1.1 光伏系统中直流变换器的发展

在传统的独立光伏发电系统中，一般是采用多个二端口变换器来实现电能的传输和存储。传统的光伏发电系统的结构有3种：输入并联式、输出并联式、级联式^[11-13]，如图 1所示。

(1) 输入并联式 (2) 输出并联式

(3) 级联式

图1 传统的独立光伏发电系统结构

图1(1)所示结构中，光伏电池通过一个单向DC-DC变换器将能量传输给负载，储能电池通过双向变换器与负载连接。这种结构能量的损耗较大。图1(2)所示结构中，光伏电池通过单向变换器与负载连接，而储能电池则用双向变换器进行连接。功率损耗也较大。图1(3)所示结构采用两个单向DC-DC变换器，光伏电池先通过一级单向变换器给储能电池充电，再通过一级单向变换器给负载供电。近几年来，随着光伏发电系统的不断发展，更多的是采用集成多端口变换器，其基本结构如图2所示。在这种结构中，三个端口可以同时连接光伏电池、储能电池单元和负载。利用直流变换器和变压器可以较容易实现电压和功率的变换。

图2 采用集成三端口变换器的独立光伏发电系统结构

1.2 三端口DC-DC变换器发展现状

1.2.1 三端口DC-DC变换器结构现状

根据结构划分，三端口DC-C 变换器有部分隔离式、非隔离式和完全隔离式三种。非隔离式变换器不包含隔离部件，结构比较紧凑，功率损耗较小；隔离式结构由于含有隔离变压器，因此电压等级变化会比较灵活，控制性能比较好。

下面为几种拓扑结构。

图3 一种非隔离式三端口DC-DC变换器结构

图3所示是一种非隔离式的三端口DC-C变换器^[14]，负载端直接与两个boost变换器连接在一起，两个Buck-Boost变换器并联，这种结构控制比较简单且易于扩展，但是三个端口间缺少电气隔离。当端口1和端口2的电压差较大时它的使用会受到一定限制。

图4 部分隔离式的三端口DC-C变换器拓扑

图4所示为部分隔离式的三端口DC-DC变换器的结构，端口1与端口2通过 Buck-Boost变换器相连，然后通过变压器与端口3连接在一起。这种结构可能发生变压器绕组电压不匹配的情况。

图5 一种复合式变换器拓扑

图5所示是一种复合式变换器，在部分隔离的基础上增加了一个隔离变压器，端口1与一个Buck-Boost变换器连接在一起，改变开关管的占空比可以调节变压器原边电压。

1.2.2 三端口DC-DC变换器的控制方式研究现状

DC-DC变换器在光伏发电中最主要的作用是通过控制电路中开关器件的导通和关断来控制电压变化，满足光伏发电系统可能的并网要求，为DC-AC逆变器的工作提供前提条件^[17]。保证即使光伏电池输入电压发生大范围变化的情况下，仍然能够输出稳定的高压直流电，并同时实现最大功率跟踪（MPPT）控制功能。

近几年来，随着开关和电平技术的研究深入，DC-DC变换器因其小巧轻便高效的特点在太阳能发电系统中得到了普遍使用。对比传统电路中的DC-DC变换器，光伏发电系统中的DC-DC变换器有以下特点：

(1) 传统变换器的主要作用是把一个不可控的直流电压变换为一可控的直流电压，光伏变换器除实现上述功能外还要兼顾实现MPPT功能；

(2) 传统变换器需要输出的电压是可控的，因此闭环控制时反馈信号一般就是输出电压，光伏变换器为了实现MPPT功能要求光伏电池的输出电压稳定在最大功率点处；

(3) 传统变换器接收到的控制信号大多数都是由专用芯片所提供，控制较为简单，而光伏变换器为了配合不同MPPT控制方法的使用，一般选择单片机或者DSP通过给定算法计算输出控制信号。

其实，当前光伏DC-DC变换器的控制技术也是与以往传统DC-DC变换器有很大的区别，比如传统变换器通常可以采用PFM和PWM两种控制方式，而光伏变换器为了降低电路的设计复杂度和控制实现难度，提高电路工作可靠性和稳定性，绝大多数采用PWM控制方式。

1.3 本文主要工作

本论文研究的光伏集成直流变换器可以应用到小型光伏发电系统中，电路结构简单，可实现MPPT功能、光伏储能功能和直流电压控制功能。该光伏集成直流变换器可以与直流电源系统进行耦合，由于含有储能元件，可使光伏发电系统对电源总线的供电电压波动减小。

本文主要工作包括：

(1) 研究光伏发电系统中直流变换器结构与工作原理。本文分析如何使用两个单向变换器分别完成从光伏电池到直流母线，从光伏电池到储能电池和从储能电池到直流母线的电能转移过程。

(2) 光伏集成直流变换器系统总体结构设计和硬件设计。系统硬件设计的总体结构主要包括主电路、控制电路和信号采集电路等的设计，因此需要掌握各电路的理论设计方法。

(3) 研究光伏集成直流变换器的控制方法。采用微控制器技术，应用处理器芯片的各种资源对数据进行处理。

第2章 三端口直流变换电路方案分析与设计

2.1 整体方案比较与设计

2.1.1 电路方案比较

如图6所示为一个典型的光伏发电系统框图。从图中可以看到，在储能电池与直流母线之间是一个双向的DC-DC变换器^[15]。存储在储能电池中的能量将被传输两次，输入的能量越多，损耗在功率转换设备中的能量也会越多，双向变换器的控制相对于单向变换器来说要复杂一些。分析可知，在这个结构中，光伏电池产生的电能通过一个单向DC-DC变换器转移到了直流母线上，直流母线上多余的电能通过一个双向DC-DC变换器被输送到了储能电池中储存了起来。当太阳能电池所提供的电能无法满足负载的正常运行的时候，储能电池进行放电，把电能输入到直流母线，供给负载正常工作。电能从直流母线流向储能电池后再次流向直流母线的过程中，两次经过DC-DC变换器，所以电能在这个过程中不可避免的产生了更多的损耗。同样，功率流经开关器件的次数越多，在功率开关器件中的功率损耗就越多。这个双向DC-DC变换器既要用来处理电池充电也要负责调节直流母线电压，这种双向变换器的控制通常要比单向变换器的控制复杂得多，并且双向变换器的稳定性没有单向变换器好，在采用双向DC-DC变换器的光伏发电系统中，光伏电池与储能电池是分离开的，互相独立。