邱健蓄电池用于光伏-电池储能系统接入三相独立交流系统的三端口变换器有限控制集模型预测控制
本文提出了一种多端口双向非隔离型变换器拓扑结构，该拓扑在多任务并行操作、单级转换、高功率密度以及因开关数量减少而降低的功率损耗方面具有优势。所提出的多端口变换器采用一种名为有限控制集模型预测控制器的集中式非线性控制器，以管理不同端口之间的功率流动。它适用于光伏和电池储能系统在独立交流（AC）系统中的并行运行。转换器通过双向升降压转换器将低压电池连接到光伏端口，而光伏端口则通过三相全桥逆变器连接到独立交流负载。三相转换器的每一相支路将同时充当双向直流（DC）/直流转换器和逆变器。仅需六个开关即可管理光伏-电池储能系统与独立交流负载之间所有连接端口的功率传输。所提出的多端口变换器通过有限控制集模型预测控制器进行数学建模与控制。该系统在模拟环境（1 kW额定功率）和实验环境（200 W额定功率）中得到验证。实验室开发了硬件原型，并将控制器实现在现场可编程门阵列板上。进行了两项独立的案例研究以验证系统的有效性。第一个场景是光照强度变化，第二个场景是输出负载变化。
当由于成本或物流限制而无法实际增加电网连接时，独立电力系统在为偏远地区供电方面发挥着至关重要的作用。太阳能、风能和燃料电池等可再生能源因其零碳排放和取之不尽的特性而备受关注。另一方面，由于可再生能源的不稳定性，需要电力电子系统来调节。日益增长的电力需求促使研究人员开发电力电子转换器，以提高可再生能源的利用率 [1, 2]. 在瞬态和峰值需求期间，仅依靠可再生能源发电难以满足需求；因此，需要电池储能系统（BESS）提供具有快速动态响应的备用电源。BESS的接入不仅为负载提供备用电源，还能储存可再生能源产生的多余电能。因此，可再生能源利用率得以提高 [3–5]. 电池储能系统（BESS）通常具有针对不同应用的标准安时（Ah）额定值和电池电压额定值，可能不等于源额定值。因此，为了独立控制电池储能系统的充放电，需要额外的直流（DC）/DC 转换器。该转换器通常集成在可再生能源和电池储能系统的常规直流总线中。由可再生能源、电池和电网/负载组成的配电系统的特点是同时存在直流和交流（AC）总线。因此，为了将电池储能系统集成到连接交流电网/负载系统的可再生能源中，传统上会使用多个转换器进行多级转换 [6, 7，如图所示图1a。然而，进一步的研究表明，如果选择的储能系统（BESS）使其额定值与直流母线电压相等，则可以省去直流链路与储能系统变流器之间的直流/直流变换器 [8, 9]，如图所示图1b另一种将可再生能源和储能系统接入交流端口的实现方式是，将可再生能源源与逆变器以及电池储能与另一台逆变器互联，再将其连接至负载或电网，如图所示图1c. 但是，由于使用了多个转换器，功率密度非常高，功率转换损耗也更大。因此，一种更简单的方法是将多个独立的功率转换器组合起来，将多个端口集成到一个称为多端口转换器的单个转换器中，如图1d所示Fig. 1d [10, 11].
图1：
用于不同应用的功率变换器框图。(a) 两个直流/直流变换器和一个直流/交流变换器；(b) 一个直流/直流变换器和一个直流/交流变换器；(c) 两个直流/交流变换器；(d) 三端口变换器配置。
根据文献，通常将两个直流端口连接到交流系统用于工业应用。由于其在工业中的重要性，混合动力电动汽车（EV）动力系统或并网光伏（PV）-电池系统等应用在混合设计中尤为突出[4]。为了将光伏系统连接到交流电网或负载，必须先经过升压级，然后才能连接到逆变器。必须使用最少数量的太阳能电池板以避免这一升压步骤；因此，连接到交流电网或负载的混合光伏-储能系统至少需要两个功率转换器 [12]. 同样，在电动汽车应用中，多个功率变换器用于连接储能元件和连接到逆变器的燃料电池。具有多个功率变换器的系统存在功率密度较低的问题。将所有阶段合并为具有多个集成端口的单个功率级的替代设计被称为多端口变换器，并已在文献中有所报道 [13–15].
本文提出了一种单级非隔离三端口双向变换器，用于连接三相交流端口和两个直流端口。在该拓扑结构中，双向全桥变换器与双向DC/DC变换器相融合，形成三端口变换器。以独立光伏-储能系统为例，验证了该拓扑结构的有效性。文献[15]中提出的三端口变换器实现了光伏-储能系统与独立交流负载之间的互联。文献[15] 升压或降压，将直流电压转换为所需的交流电压，在输出端提供低谐波交流电流，并采用单级功率转换单元。尽管如此，其使用的开关数量仍多于所提出的拓扑结构。作者近期在 [16] 中提出的三端口变换器并未包含控制器的详细说明，也未讨论硬件实现。为了实现单个交流端口与两个直流端口的互联，本文致力于展示一种三相单级多输入/输出双向变换器。
电力转换器的闭环控制方法大致分为两类：线性控制技术和非线性控制技术 [17]。比例积分（PI）控制是标准且成熟的线性控制方法 [18]。由于PI控制器响应速度较慢，直接功率控制方法是在PI控制方法的基础上创建的 [19].
此外，为了获得快速的动态响应和适应性，采用了非线性控制技术[20]。对于多端口变换器而言，经过最广泛研究和开发的非线性控制器是前提条件[21]。[中探讨了滑模控制方法与传统PI控制的比较。虽然[中描述的多环线性控制方法22] 减小了电压对负载变化的敏感度，但需要多个控制回路，这使得控制器的构建更加困难。在本研究中，采用多输入多输出状态空间建模方法的有限控制集模型预测控制器（FCSMPC），结合调制方案和控制方法，用于控制各端口之间的功率流动 [23] reduces the sensitivity of the voltage to changing load conditions, it necessitates numerous control loops, which makes the construction of the controller more difficult. In this research, a controller together with a modulation scheme and controlling method known as the finite control set model predictive controller (FCSMPC) adopting a multi-input multi-output state–space modelling method is used to control the flow of power between various ports [24].