面向光储直流微电网的三端口DC-DC变换器研究与设计

作     者：冉卓鑫 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李山;熊朝明

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 080802[工学-电力系统及其自动化] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：光储直流微电网 三端口变换器 功率协调 解耦控制 改进麻雀搜索算法 

摘      要：随着日益严峻的环境问题以及不断增长的能源需求,可再生能源技术的发展和应用受到越来越多的关注。光伏发电技术因其清洁、高效以及运行成本低等优势,被广泛认为是应对未来能源挑战的关键技术之一。然而,光伏发电系统的功率输出通常受光照强度及环境温度的影响而显著波动,这一问题限制了其电能质量和稳定性。为此,加入储能装置以调节系统的功率波动,优化电能输出成为了提高光伏发电系统性能的必要措施。三端口DC-DC变换器(Three Port DC-DC Converter,TPC)能够将光伏与储能系统集成并入直流微网,这种集成方式能实现优化能源配置、提高能源利用效率的作用,为直流微电网的稳定运行和能效提升提供了新方案。因此,本文以TPC在光储直流微电网下的应用作为课题的研究重点。 首先,本文分析了一种隔离型TPC拓扑结构,并将该拓扑通过等效变换推导出等效模型。根据其模型,研究了TPC的单移相控制,从而根据双有源全桥(DAB)的传输特性,得到了TPC的传输特性与工作模态。其次,对光储直流微电网的建模进行了分析,并分别对其各模块进行了介绍。经过仿真验证可知,TPC功率传输过程的高效性和稳定性,同时,也验证了光储直流微电网建模的正确性。 此外,在光储直流微电网的背景下,对TPC的控制策略进行了深入研究。通过对TPC小信号建模,发现了TPC系统中存在变量耦合的现象。因此,采用前馈解耦控制实现对于TPC系统电流的独立控制。并基于单移相控制和解耦控制设计了TPC的单移相PI控制,实现整个TPC系统的控制。但PI控制对于TPC这类复杂模型,有着响应速度较慢、超调大等问题,本文通过引入麻雀搜索算法(Sparrow Search Algorithm,SSA)来解决此类问题。但由于SSA算法的初始化值选取过程,对其收敛速度和求最优解的性能有着极大的影响,针对这一缺陷,本文又提出了一种通过引入Tent混沌映射算子来改进其初始化过程的改进麻雀搜索算法(Improvement Sparrow Search Algorithm,ISSA),并对SSA和ISSA算法性能进行了比较,证明了ISSA算法有着更优越的性能。之后通过仿真与实验,分别验证了PI控制与ISSA优化控制在TPC系统的运行情况。证明了相比于PI控制,所提的控制策略能平滑地进行各种工况的切换,且能提高整个控制系统的动态响应能力与稳定性。 最后,搭建了一台5k W的TPC实验样机。给出了硬件部分的主功率电路,控制电路的设计方案,提出了控制策略的软件实现办法,并分别通过RT-LAB仿真平台与样机测试,验证了所提控制策略的有效性。