三端口集成式光伏储能变换器研制文献综述

文献综述

1.研究背景与意义

随着全球经济的高速发展，人们生活水平明显提高。全球人口的持续不断增长致使煤炭、石油等传统化石能源的消耗与日俱增。不可再生能源日益枯竭，传统化石能源的大量消耗是造成能源缺失、环境污染和生态破坏的主要原因之一。由此而造成的三E问题：能源(Enengy)、环境(Environment)、生态(Ecology)已成为当今世界急需解决的三个问题。目前，世界各国纷纷努力倡导清洁无污染的新能源和可再生能源替代传统化石能源，希望达到保护环境和生态的目的。新型能源，如太阳能、风能、水能、核能和地热能等可以缓解能源紧缺和减轻环境危害，但是新型能源受地域限制、存在安全隐患、对生态造成间接破坏等因素限制了其推广和应用。和其它新能源相比，太阳能因资源丰富、分布广泛、清洁无污染、安全可靠等优点成为替代传统化石能源最理想的新型能源。

在太阳能的诸多利用形式中，光伏发电是直接将太阳能转化为电能，在应用性和可存储性等方面更加便于人类使用，成为当前和未来太阳能的主要利用形式。根据是否和电网相连，光伏发电系统化分为独立型和并网型两种。独立型光伏系统不需要架杆和铺设电缆线，降低了前期建设的花费和长距离输电的损耗，在光伏应用中依然占有重要的比例。其增加存储设备，避免了外界环境变化对光伏系统造成的不利影响。当光照充足的白天光伏模块所发出的能量大于负载需求，蓄电池把多余的能量以化学能的形式存储起来，提高了光伏模块的利用率；当晚上或者光照不足时光伏模块所发出能量为零或者小于负载所需，蓄电池独自或和光伏模块一起为负载提供稳定的电能。并网型光伏系统只有达到较高的电能质量才允许并网。其增加蓄电池不仅可以缓解晚上电力紧张的局面，起到削峰填谷的作用，而且还能减少并网谐波含量和畸变，提高并网输入的电能质量。对于微网，蓄电池也是必不可少的设备之一。

图1三端口光伏系统

光伏发电最受关注的两个研究热点是系统的转换效率和输出的电能质量。三端口光伏系统由三端变换器、PV阵列、储能装置以及负载(或者电网)组成，如图1系统架构图所示。一般情况下输入端PV阵列工作在MPPT模式，以实现PV阵列发电功率最大化；确保蓄电池充放电控制，实现蓄电池充放电功率的双向变换与传输；完成输出端负载电压的控制，以保证负载稳定可靠供电。三端口变换器具有结构紧凑、运用灵活、光伏模块利用率高、输出电能质量好等优点而倍受关注。由于增加了蓄电池，三端口光伏系统能吸收光伏模块所发出多余的能量，提高模块的利用率，而且也能释放能量使供电电源平稳，提高输出波形的质量。因此，三端口光伏系统的应用将进一步推动光伏产业的发展。

2.研究现状

近年来，由于人们不断提高对新能源开发的要求，而且在独立新能源发电系统中，新能源发电系统都存在一些缺点，例如随着外界环境的变化而使得电力供应不连续、不稳定等。使得独立运行的新能源发电系统具有间歇性以及不稳定性，所以其需要配备一定容量的储能装置来实现系统能够稳定的供电，该装置还必须能够同时实现三个端口的能量管理与控制。在以前传统的独立新能源发电系统中，往往采用单双向变换器组合的形式来实现系统的能量管理与控制。虽然这样可以较好的实现输入源、蓄电池和负载之间功率控制，但是，同时也带来了较多的问题，比如使得变换器体积重量较大、数量较多、效率低以及存在多级功率变换等。为了方便功率管理和控制，仅仅通过一个三端口变换器就能够同时实现光伏源、蓄电池以及负载三者的统一控制。三端口变换器具有很多优点，比如体积重量小、经济成本低、可靠性安全性高、功率密度高和效率高等。除了新能源独立供电系统之外，三端口变换器还在在直流微网系统、逆变系统、航天电源系统等很多场合中都有广泛的应用。

如前所述，由于三端口变换器具有集成度高、功率密度高、体积重量低等优点，近年来得到国内外学者越来越多的关注。目前对于三端口变换器的研究主要集中在电路拓扑分析和拓扑衍生理论及方法等方面。根据端口之间的隔离方式不同，三端口变换器具有非隔离型、完全隔离型和部分隔离型等三种结构形式。