基于PWM+双移相控制的三端口储能变换器在不同占空比下回流功率为零的参数优化方法

本发明属于新能源发电和混合储能中的电力电子变换器，具体涉及一种基于pwm+双移相控制的三端口储能变换器在不同占空比下回流功率为零的参数优化方法。

背景技术：

1、目前“光储直柔”是实现零碳最重要的方式。特别是随着农村的电气化程度大大提高，在农村建立光伏，储能一体化的“光储直柔”系统，可以作为局部实现零碳的试点目标。部分隔离型双有源桥三端口储能变换器，直流-直流变换器，具有可实现软开关、能量双向流动、功率器件复用、较高的功率密度等优点，其输入端口与输出端口之间具有电气隔离，安全系数高。是实现“光储直柔”最重要的部分之一。

2、目前此变换器普遍采用pwm+双移相的控制方法，可优化自由度高，但是，由于回流功率的存在，会使得峰值电流变大，开关损耗增加，以及变换器的效率降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服传统技术中存在的上述问题，提供一种基于pwm+双移相控制的三端口储能变换器在不同占空比下回流功率为零的参数优化方法。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、基于pwm+双移相的三端口储能变换器，该三端口储能变换器包括三个输入/输出端口，端口1蓄电池端口(vb)、端口2光伏端口(vp)、端口3负载端口(vo)，三个端口并联三个滤波电容(c1～c3)；八个mosfet功率开关管(s1～s8)组成两个有源全桥；一个变比为n:1高频变压器t连接两个有源全桥；移相电感l为附加电感和变压器漏感之和；电感l1、l2连接端口2与端口1构成双向buck/boost电路；原边单相全桥中点电压为uab，副边单相全桥中点电压为ucd；电压调节比k＝vb/nvp。

4、基于pwm+双移相的三端口储能变换器在不同占空比下回流功率为零的参数优化方法，包括如下步骤：

5、(1)分析三端口储能变换器工作模式，绘制变换器在不同占空比工作模式工作原理波形图；

6、(2)根据在不同占空比工作模式工作原理波形图，建设数学模型求出各时刻电感电流值、回流功率、传输功率；

7、(3)根据步骤(2)所求得的传输功率表达式，求出变换器最大传输功率，对回流功率、传输功率进行标幺化；

8、(4)根据步骤(3)所求得的传输功率的标幺化数学表达式，在约束条件为{d1+d2≥0.5，π(1-d1-d2)<φ≤π/2(0.5≥d1≥0)}、{1-d1+d2≥0.5，π(d1-d2)<φ≤π/2(1≥d1>0.5)}下做出不同占空比下传输功率三维特性图；

9、(5)根据步骤(2)所求得的电感电流数学表达式建立f(d1，d2，φ)函数，在步骤(4)的约束条件以及不同电压调节比k值的约束条件下，作出f(d1，d2，φ)函数的三维特性图，求出满足回流功率为零的d1、d2、φ区域，其中f(d1，d2，φ)＝0时为零回流功率临界点；

10、(6)根据步骤(3)所求得的传输功率的标幺化数学表达试，在步骤(4)的约束条件和步骤(5)函数f(d1，d2，φ)＝0时的约束条件，以及不同k值条件下作出满足回流功率为零和变换器在不同工作模式下传输功率三维特性图，求出满足回流功率为零的标幺化传输功率区域；

11、(7)根据步骤(6)所作的传输功率三维特性图，将光伏板的最大功率值ppmax设定在回流功率为零以及不同占空比工作模式下传输功率边界范围内；

12、(8)根据步骤(5)所求得的回流功率为零的d1、d2、φ区域中，选择一个合适的占空比d1，d2，在光伏最大功率vpmax条件下由公式d1＝vp/vb，求出输入直流母线电压vb；

13、(9)根据步骤(3)所求得的传输功率的标幺化数学表达试，以及步骤(8)的光伏最大功率ppmax、占空比d1，d2，求出移相角φ；

14、(10)根据步骤(9)所求得的φ，判定φ是否处于步骤(5)所求得的回流功率为零的φ区域中，在此区域内，参数优化理论设计可行，变换器部分工作模式下回流功率理论值为零；

15、式中：d1为原边全桥占空比，d2为副边全桥占空比，其中d1＝vp/vb；φ为原边单相全桥中点电压uab与副边单相全桥中点电压ucd之间的移相角。

16、进一步地，根据步骤(1)绘制的不同占空比下工作模式工作原理波形图，计算变换器在pwm+双移相的控制方法下各时刻电感电流值il：令t0＝0，占空比0≤d1≤0.5时，得t1＝ts/2π(π-2d1π)，t2＝ts/2π(φ+d2π-d1π)，t3＝ts/2π(φ+π-d2π-d1π),t4＝1/2ts；占空比0.5＜d1≤1时，得t1＝ts/2π(φ+d2π-d1π)，t2＝ts/2π(φ+π-d2π-d1π)，t3＝ts/2π(2π-2d1π)，t4＝1/2ts；其中ts为开关周期；电压调节比k＝vb/nvp；移相电感电流呈现一种对称性，满足il(t0)＝-il(t4)可得：

17、占空比0≤d1≤0.5时：

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21、

22、

23、占空比0.5＜d1≤1时：

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29、占空比0≤d1≤1时：

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31、式中：p1回、p2回为移相电感电流与原边全桥中点电压uab相位相反时的电源侧回流功率，p传为变换器的传输功率，k为电压调节比，n为变压器变比，l移相电感，f为开关频率，vb电池端电压，vo输出端电压。

32、进一步地，在步骤(3)中，根据步骤(2)所求得的传输功率功率表达式(11)，求出变换器在d1＝0.5、d2＝0.5，φ＝π/2时最大，最大传输功率为p传max＝nvovb/4fl，以其为基准值对p1回、p2回、p传进行标幺化处理可得：

33、

34、

35、

36、进一步地，在步骤(5)中，根据步骤(2)所求得的电感电流表达式，在t0时刻il(t0)<0时存在回流功率，当t0时刻il(t0)≥0时不存在回流功率，由式(1)、(6)建立il1(t0)、il2(t0)的等效f(d1，d2，φ)函数如下：

37、

38、式中：f1(d1，d2，φ)为il1(t0)的等效函数，f2(d1，d2，φ)为il2(t0)的等效函数，若f1(d1，d2，φ)>0、f2(d1，d2，φ)>0那么存在回流功率；

39、根据在不同占空比下的约束条件和不同电压调节比k值的约束条件下，由式(15)求出回流功率为零的d1、d2、φ区域如下：

40、k>1，0≤d1≤0.5时：

41、

42、k>1，0.5＜d1≤1时:

43、

44、0＜k≤1，0≤d1≤0.5时：

45、

46、0＜k≤1，0.5＜d1≤1时：

47、

48、进一步地，在步骤(6)中，根据式(11)以及在步骤(4)和步骤(5)函数f(d1，d2，φ)＝0时的约束条件，以及不同k值条件下，求出满足回流功率为零的标幺化传输功率区域如下：

49、

50、式中：p*为回流功率为零的标幺化传输功率。

51、进一步地，在步骤(7)中，设定式(20)在标幺化传输功率p*中包含光伏板的标幺化最大功率值p*pmax，并且令p*＝p*pmax。

52、进一步地，在步骤(8)中，从式(12)至式(20)所求得的回流功率为零的d1、d2、φ区域中，选择一个合适的占空比d1，d2，在光伏最大功率vpmax条件下由公式d1＝vp/vb，求出输入直流母线电压vb。

53、进一步地，在步骤(9)中，由式(14)以及在步骤(8)已知条件d1，d2，可以建立φa表达式得：

54、

55、进一步地，在步骤(10)中，根据式(21)所求得的φa值，判定φa是否处于步骤(5)所求得的回流功率为零的φ区域中，在此区域内，参数优化理论设计可行，变换器部分工作模式下回流功率理论值为零。

56、本发明的有益效果是：

57、1、本发明方法与现有三端口储能变换器pwm+单移相控制方法相比，pwm+双移相控制增加了一个控制自由度，可以通过两个移相角的优化组合来改进变换器的控制过程，可优化自由度高。

58、2、本发明方法采用建立数学模型的方式，能够详细的求出基于pwm+双移相的三端口储能变换器满足回流功率为零时，占空比d1，d2，移相角φ、标幺化传输功率p*的区域，具有实际的参考价值。

59、3、本发明方法通过对传输功率以及占空比、直流母线电压vb的参数设计，使得三端口变换器在不同占空比下回流功率为零，提高了变换器的效率。

60、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上的所有优点。