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一种应用于光伏储能的三端口DC/DC变换器设计

一、选题的目的和意义

随着电力电子技术的发展，光伏发电和储能技术的不断进步，以光伏储能为基础的直流微电网系统受到了广泛关注。光伏发电存在间歇性、波动性等固有缺陷，常配合蓄电池等储能单元，构成光-储联合发电系统。以三端口DC-DC变换器为核心连接发电单元、储能单元和负载单元，与传统二端口方案相比，具有效率高、功率密度高、可靠性高等优点。三端口变换器作为一个多控制目标的多输入多输出的强耦合系统，其控制上也面临一些新的难题。研究一种用于新能源发电系统的三端口直流变换器，且具有效率高、功率密度高等方面的优点，具有一定的实践价值。

针对传统的光伏储能系统存在的多级变换器效率和功率密度都较低的问题，使用三端口变换器来连接光伏发电设备、储能设备和负载，对各端口的控制使用多个调节器来完成，具有功率密度高、效率高、可并联拓展、可靠性高等优点。三端口变换器在越来越多的领域中发挥着重要的作用，如航天电源、直流微网系统、电动汽车系统等。将变换器模块化可以使得功率拓展更为方便，且变换器一次设计就能重复制造使用，降低开发成本。同时对于局部阴影造成的多峰值PV曲线的问题，寻找一种新的最大功率点跟踪（MPPT）控制方法可以最大化利用光伏电池的能量，提升光伏系统的效率。因此，

研究三端口变换器并联控制和MPPT控制，对于三端口变换器应用于光储系统等各个领域并实现稳定且高效的运行，具有重要意义。

二、相关文献综述（1000字左右，与主要参考文献对应）

三端口变换器在越来越多的领域中发挥着重要的作用，如航天电源、直流微网系统、电动汽车系统等。随着三端口变换器的快速发展，光伏电源技术也日趋成熟。综合国内外的文献，对三端口变换器的研究主要集中在三个方面：改进或发明新型的三端口变换器拓扑、研究三端口变换器的控制策略和研究三端口变换器的多模块并联控制方法。由于三端口DC越来越热门、技术较复杂，为了完成好本次毕设工作，在研发本系统之前要做好相应的知识储备，由此借鉴参考文献如下：

（1）在研究MPPT技术发展方面：主要是参考文献[10]、[11]、[12]。近年来全球光伏发电系统装机容量的上升幅度，与光伏发电系统在各国政府受重视程度相互促进，导致出现光伏发电技术热。光伏发电技术的转换效率决定于转换系统的工作点，最大功率点跟踪（MPPT）控制能够使工作点处于最优位置，改善转换效率，为MPPT在光伏发电系统的进一步应用提供思路；同时简述不同规模下光伏逆变器所使用的技术，简要说明目前光伏储能电源发展的制约及问题。

（2）在BOOST原理方面：主要是参考文献是[5]、[6]、[7]，介绍有关BOOST的基本原理，分析BOOST的关键电路的原理，对当前BOOST电路所使用的脉冲宽度调制PWM调制的原理、实现的常用方法进行说明。同时，对于常见的反馈电路控制方式进行介绍和分析。为系统设计所需的BOOST拓扑奠定了方向。

（3）在三端口DC-DC系统设计方面：主要是参考文献是[1]、[2]、[3]、[8]、[9]、根据系统的稳定性原则、可靠性原则、输出波形质量好、抗干扰能力好和市场适应性好等原则，选择采用半桥两象限DC-DC电路和BOOST电路作为主电路结构，选择采用MPPT和PID作为电路的主要算法，控制系统采用模糊PID控制闭环反馈电路调节电路的稳定性和输出质量。

（4）在采样系统设计方面：主要是参考文献是[8]，根据系统有高输入阻抗、高增益和高增益准确度、以及宽共模范围和良好的共模抑制等原则，选择采用ADS1256和INA226电路进行采样，反馈到STM32F103RCT6进行MPPT和PID算法。

（5）在系统调试与分析方面：主要是参考文献是[4]、[7]、[8]、[10]由于这几篇文献与本文所研究的系统相类似，主要通过对光伏电源输出频率、主电路驱动波形、输出波形和输出电压电流的测量，来分析系统的性能，同时分析了系统误差的原因提出了提高输出质量和效率的策略。

三、研究内容

本文以光储发电系统为研究背景，以BOOST拓扑和半桥两象限DC-DC拓扑集成式三端口直流变换器及其构成的光伏储能发电系统为研究对象，针对所述的三端口变换器的研究难点进行相关的研究，包括多控制目标下的光伏电池和蓄电池控制策略、模式切换和最大功率点跟踪等动态性能优化方法、自动切换系统的协调策略等。

（一）研究内容

本文设计根据当前光伏电源的发展方向，设计基于单片机控制的光伏系统，实现电路的数字化，电路设计采用模块化，选用开关速度快、导通电阻小、高耐压、大电流型开关管，最大程度地减小电路工作过程中的开关损耗。最终系统主要是通过

STM32F103RCT6单片机控制产生的PWM波，经过由IR2104构成的驱动电路，同时利用脉冲宽度调制技术产生的PWM波给半桥两象限DC-DC电路实现双向充电，通过

STM32F103RCT6单片机使用扰动观测法实现MPPT算法。结合系统软硬件的设计与调试，预期结果为：

系统能够实现的变换器有两种工作模式：

模式I：模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电（IB>0）；

模式II：模拟光伏电池和电池组同时为负载供电（I_B<0）。根据模拟光照（U_S的大小）和负载情况，变换器可以工作在模式I或模式II下，并可实现工作模式的自动转换，且实现最大功率点跟踪（MPPT），在各种情况下均应保证输出电压稳定在30V。

设计内容主要分为以下几个部分：

1.系统总体方案的确定；

2.硬件电路的设计，主要包括BOOST和半桥两象限DC-DC主电路、电流采样电路、电压采样电路和辅助电源电路部分等设计；

3.使用STM32F103RCT6单片机控制的PID算法和MPPT算法完成光伏储能的三端口DC/DC变换器的软件设计；

4.系统调试和结果分析；

5.总结与展望。

（二）论文（设计）提纲

引论

1总体设计方案

1.1设计内容及要求

1.2系统总体结构2方案选择与论证

2.1设计方案选择与论证

2.2主要芯片的选择与论证

2.3主要算法的选择与论证3参数计算

3.1电感参数计算

3.2输出电容参数计算

3.3输出电容参数计算

3.4MOSFET参数计算4电路设计

4.1MCU电路的设计

4.2辅助电源电路的设计

4.3电压检测电路的设计

4.4电流检测电路的设计

4.5半桥两象限DC-DC电路的设计

4.6BOOST电路的设计5软件设计

5.1软件流程图

5.2主要算法

6测试方案与测试结果

6.1测试方案

6.2测试结果

7结语

参考文献

四、研究方法、步骤及措施等

（一）研究方法

1.文献分析法

利用图书馆和网络数据库CNKI、万方和维普等查阅有关MPPT算法、光伏电源、BOOST电路和双向DC-DC电路的研究与设计的相关文献，为项目的设计、论文的写作提供相应的理论准备和技术支撑。

2.理论和实践相结合开发法

在设计过程中，根据自己在课本上所学习和掌握理论知识，结合软硬件、选用现有的性能优异的各控制芯片，通过合理的保护电路设计和软件设计，提高电路的可靠性和稳定性能，联合设计出一种应用于光伏储能的三端口DC/DC变换器。

（二）研究步骤：

第一步：系统的学习光伏电源工作原理，查询与任务相关的资料，深入了解光伏电源电路设计的相关技术。

第二步：查阅资料，实现对系统的硬件主体设计，电路图设计，原理图的设计。

第三步：完成相应的功能。在实验中记录工作进程及其相应出现的问题疑难点、并收集材料、电路图等。

第四步：编写论文和准备答辩。

（三）研究措施

1．知识储备阶段

通过文献检索、资料查阅、分析同类别系统设计思路，将电路的理论知识和应用开发方法熟练掌握。绘制相关电路，保证能够独立的完成本系统。

2.调研和需求设计阶段

对近五年有关光伏电源研究与设计的发展状况进行调研和分析，建立电路模型。拟定一种应用于光伏储能的三端口DC/DC变换器设计的研究内容和实现的功能，确定论文写作大纲，撰写开题报告。

3.初步设计阶段

针对需求，结合自己所掌握有关光伏电源的知识去初步研发本系统并设计出整体需要完成的功能，以及对光伏储能的三端口DC/DC变换器详细设计，遇到难题及时与指导老师联系解决。

4.完善设计和论文初稿形成阶段

在初步设计和难题解决的基础之上，完善系统整体功能，调试个功能，基本形成较完善的系统，从而进行系统相关功能的编码与实现，论文初稿的形成。

5.成文和评审阶段

对系统整体功能模块进行测试并完善，将系统和论文定稿提交指导老师评审。

6.毕业论文（设计）答辩

五、进度安排

序号起止日期工作内容

1查阅资料，调查研究，拟定毕设研究内容和实现的功能，论文写作大纲，撰写开题报告。教师召集学生面谈，进行论文开题指导，讲解开题报告写作注意事项；学生查阅文献，总结提炼论文写作大纲，教师修改论文大纲，完善论文结构，完成开题报告

2独立设计，修改设计和修改论文，中期检查。在这阶段指导老师与学生要经常交流，老师指导，学生根据老师的要求完善系统和修改论文

3中期检查

4设计、论文完成和定稿。按照学校论文格式要求调整论文格式和排版，形成定稿

5设计和论文验收与评审。学生对论文查重并提交符合学校要求的查重报告，重复率控制在25%以内。指导老师和评阅老师对论文进行评审，形成评审意见和成绩

6毕业论文（设计）答辩。学生准备所有毕设资料，制作汇报PPT，按照学院统一时间要求参加毕设（论文）答辩

7论文档案材料整理存档

六、主要参考文献

[1]王荣闯.基于光-储发电系统的三端口DC-DC变换器研究[D].浙江大学.2021(08).

[2]温兆伦.用于光储系统的三端口变换器及多峰值MPPT研究[D].哈尔滨工业大学.2020(01).

[3]杨柳，杨帆，吴红飞.基于三端口双向DC/DC变换器的高增益组合式交直流变换器[J].电源学报.2020(03)：38-45.

[4]魏斌，李祖勇，郭潇潇，潘钢.LLC谐振变换器并联均流技术的研究[J].电气应用，2018，37(08)：75-81.

[5]沈冲，吴红飞，高尚，董晓锋.基于光伏–储能集成功率模块的航天器分布式供电系统能量管理策略[J].中国电机工程学报.2020(20)：6674-6682.

[6]李程晔．单相两级式光伏并网系统的研究与设计[D]．东北农业大学，2018(02).

[7]张凯涛，张辉，肖曦，支娜.光伏Boost变换器自适应下垂控制稳定性分析[J].电力电子技术.2021(08)：64-66.

[8]杨敬博，胡晓芳，简明阳.基于MPPT的光伏发电组件跟踪技术研究[J].科学技术创新.2021(29)：167-169.

[9]张明冉，常治国，吴昊，尹强.一种新型光伏控制器MPPT控制策略[J].电力电子技术.2021(09)：75-77.

[10]周渊深.电力电子技术[M].第3版.北京：机械工业出版社，2019.

[11]A.Lavanya，J.DivyaNavamani，K.Vijayakumar.PerformanceanalysisoftripleportDC-DCconverterforenergyharvestingsystems[J].AIPConferenceProceedings，2019，2112(1).

[12]OsmaniKhaled，HaddadAhmad，LemenandThierry，CastanierBruno，RamadanMohamad.AninvestigationonmaximumpowerextractionalgorithmsfromPVsystemswithcorrespondingDC-DCconverters[J]Energy，2021，224