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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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基于三输入DC -DC升压变换器的太阳能/风能/电池混合系统建模与控制

美国Sathya1b .维诺思·库马尔2
  1. 印度泰米尔纳德邦萨蒂亚曼加拉姆邦班纳里安曼理工学院电子电子工程系pg -学者
  2. 印度泰米尔纳德邦萨蒂亚曼加拉姆邦班纳里安曼理工学院电子工程学系助理教授(高级g
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摘要

本文的目标是提出一种用于混合动力系统的三输入升压变换器，以简化电力系统，降低成本。所提出的转换器有两个源作为输入，第三个源作为存储元件。可由光伏电源和风力电源分别或同时提供输出负载、充电或放电。所提出的结构仅使用四个独立的电源开关。根据电池的使用状态，为转换器定义了三种不同的电源操作模式。这个转换器控制所有的电源。

关键字
三输入升压变换器，混合动力系统，PV, Wind，电池源，荷电状态(soc)和终端电阻。

介绍
光伏(PV)能源由于其无噪音、无污染、规模灵活、维护少等优点，在发电方面具有相当大的吸引力。由于光伏发电依赖于太阳照射水平、环境温度和不可预测的阴影，基于光伏的电力系统应由其他替代能源补充，以确保可靠的电力供应。风力发电因其清洁、高效、可靠等优点，成为一种极具发展前景的补充能源。由于FC模块[1]启动周期长、动态响应慢等缺点，需要通过储能系统进行负载与FC模块功率不匹配的管理。为了平滑输出功率，改善启动过渡和动态特性，提高峰值功率容量[2]，[3]，通常采用电池作为存储机制。结合这些能源引入了光伏/风能/电池混合动力系统。这些变换器由于具有电路拓扑简单、集中控制、存储元件双向潮流、可靠性高、制造成本低、体积小等优点，在文献中受到了广泛的关注。在[15]中报道了多绕组变压器中两个基于磁通的输入变换器。由于[16]不具备双向工作的可能性，且驱动电路复杂，输出功率受限，不适合用于混合系统。在dc-dc升压变换器结构的基础上，提出了三输入变换器。 The dc–dc boost converter is useful for combining several energy sources whose power capacity or voltage levels are different.

光伏板建模
图1为理想光伏电池的等效电路。从半导体理论[1]中，数学上描述理想光伏电池的I-V特性的基本方程为:图像
其中符号定义如下:
Ipv，单元为入射光产生的电流(与太阳照射成正比)，
I0，电池为二极管的反向饱和电流或漏电流，
q是电子电荷(1.60217646 × 10−19 C)，
k为玻尔兹曼常数(1.3806503 × 10−23 J/ k)， T(开尔文)为p-n结的温度，
A是二极管理想度常数。
e:电子电荷(1.602 × 10-19 C)。
Rs:细胞串联电阻(0.001 Ω)。

风力发电机建模
风力涡轮机是风力发电系统的首要部件。风力涡轮机通过空气动力学设计的叶片从风中捕获能量，并将其转换为旋转的机械动力[6]。叶片的数量通常是3个。这种机械动力被输送到发电机的转子，在那里这种能量被转换成电能。
使用的发电机可以是感应发电机或同步发电机。
风产生的机械能由:
在哪里
ρ -空气密度，
A -转子扫掠面积，
Cp (λ， β) -幂系数函数
λ -尖端速比，
β -俯仰角
风力机的稳态功率特性可以被建模。以单位(pu制)为单位，式为:
图像
Cp是一个依赖于叶尖速比和螺距角的非线性函数，可表示为:
图像
在β = 0和λ = 0.16处，Cp的最大值为0.48。
风力发电机模型连接到一个鼠笼异步发电机。从风力涡轮机获得的机械能被输送到发电机，发电机将其转化为电能。

电池建模
建立了铅酸蓄电池物理系统模型。电池模型被设计为接受电流和环境温度的输入，如图所示。输出电压，SOC和电解质温度。
A.等效电路
该结构并没有直接模拟铅酸电池的内部化学成分;等效电路经验地近似于在电池端所看到的行为。该结构由两个主要部分组成:一个主要分支近似于大多数条件下的电池动态，一个寄生分支负责解释电池在充电结束时的行为。
电池等效电路代表电池的一个电池单元。输出电压乘以6，即串联电池的数量，以模拟一个12伏的汽车电池。在图3中，将序列单元格的数量输入到增益块，参数值为“ns”。电压乘以6假设每个电池的行为相同。图4显示了包含用于创建电池电路方程的元素的电路图。每个等效电路元件基于非线性方程。非线性方程包括参数和状态。方程的参数取决于经验确定的常数。

三输入升压变换器设计
A.运作模式
1)第一动力运行模式
在这种工作模式下，两个输入电源V1和V2负责提供负载，电池不充电。这种工作方式被认为是变换器的基本工作方式。从转换器结构中可以清楚地看到，有两种选择来进行输入电源电流il1和il2而不通过电池;路径1:S4−D3路径2:S3-;D4。在这种操作模式下，选择第一条路径;因此，在交换过程中，交换机S3处于OFF状态，而交换机s4完全处于ON状态。这样，在一个开关周期内实现了变换器的三种不同开关状态。
开关状态1 (0 < t
开关状态2 (D1T< t
开关状态3 (D2T < t < t):在t = D2 t时，开关S2也关闭，电感L2与电感一样通过v2 V0放电电压
将电压秒平衡理论和电流秒平衡理论应用于变换器，得到四个开关的信号
图像
2)二次动力运行模式
在这种工作模式下，两个输入电源v1和v2以及电池负责提供负载。因此，在此操作模式下，应提供电池的放电状态。参考转换器拓扑，当开关S3;和S4同时接通时，currentsIL1和il2经过交换机S4的路径。S3交换机hicch导致电池放电。但是电池的放电操作只能持续到交换机S3和S2正在进行。因此，电池的最大放电功率取决于D1和D2的占空比以及电流IL1和il2。
开关状态1 (0 < t
开关状态2:At t = are still ON。因此，电感器与L分别带电压交叉。
开关状态3 (D T< T< DT):在T = T时，开关电感L以跨V电压放电，而电感L仍以跨V电压充电。
开关状态4在t =时也被关断，电感和分别以电压通过放电。
将电压秒平衡理论和电流秒平衡理论应用于变换器，得到如下公式:
图像
3)第三权力运作模式
在这种工作模式下，两个输入电源V1和V2负责提供负载，同时完成电池的充电性能。因此，应在此操作模式下提供电池的充电状态。参考转换器拓扑，当开关s4关闭时，通过开关S1和s2打开，电流IL1;nd il2通过二极管4、电池和二极管ed3的路径，从而提供了电池充电的条件。但是，电池的充电操作只能持续到交换机S3和S2正在进行。因此，电池的最大充电功率取决于占空比D1和D2，为了获得所需的电池最大充电功率，输入电源应设计在合适的电流和电压值。另一方面，将电池的充电功率调节到P max bat以下。ch可以通过在开关S3和S2关闭之前只改变S3和S4中的一个开关的状态来实现。
开关状态2 (D3T < t < D1T): t = D3T时，S3开关处于OFF状态，s1和s2开关处于ON状态(假设)。因此，电感L1和L2分别被V1和V2的电压所充电。开关状态3 (d1 T < T < d2 T):在T = D1T时，开关s1关闭，因此电感L2以V1−V0的电压放电，而电感L1仍以V2的电压充电。
开关状态4 (D2T< t < t):在t = D2T时，开关S2也关闭，与L1相同的电感L2以V2-V0的电压放电
图像

仿真结果
下图为三输入升压变换器的输出波形。图3(a)显示了太阳能电压和电流。使用该变换器，电压电平和电流电平升压输入电压电平。为了增加电压水平，串联连接的电池数量也会增加。图3(b)为风力发电机输出电压和电流。图3(c)为电池的输出电压。

结论
可再生能源是指通过自然过程不断补充的能源面积单位的非常规方法。该三输入变换器具有良好的灵活性，在通信、卫星、雷达等系统中具有广泛的应用前景。与传统的三输入源三升压单元混合方法相比，该变换器可以节省电感数量，利用低压电池或超级电容器，工作在高稳定余量工作点，并获得高升压因数。电池可以通过两个电源分别和同时充电和放电。三输入升压变换器的优点是结构简单，部件功率小，集中控制，不需要变压器，重量轻，工作点稳定，输入电源独立运行，升压水平高。

数字一览
数字 数字 数字 数字 数字
图1 图2 图3一 图3 b 图3 c

参考文献







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