光伏储能双向DC-DC 变换器及其控制策略研究

光伏储能系统通过将光伏电池产生的直流电（DC）转换为交流电（AC）或者直接存储在电池中，以满足用户对电能的需求。其中，双向 DC-DC 变换器在光伏储能系统中起着至关重要的作用，它既能将光伏电池产生的直流电转换为电池所需的直流电，又能将电池中的直流电转换为交流电或者为负载供电。

一、光伏储能双向DC-DC 变换器概述

随着可再生能源的日益普及和能源结构的转型，光伏发电作为清洁、可再生的能源形式，得到了广泛的应用。然而，光伏发电的输出功率受光照、温度等环境因素影响较大，具有波动性和不稳定性。为了解决这一问题，光伏储能系统应运而生。而作为光伏储能系统的核心部件，双向 DC-DC 变换器在提高系统效率、优化能量管理等方面发挥着重要作用。

（一）光伏储能双向DC-DC 变换器的工作原理

双向 DC-DC 变换器是一种能够实现能量双向流动的直流电源变换器。在光伏储能系统中，它主要用于连接光伏电池板和储能电池，实现能量的存储和回馈。其工作原理如下：

当光伏电池板产生的电能大于负载需求时，多余的电能通过双向 DC-DC 变换器储存在储能电池中。此时，双向 DC-DC 变换器工作在充电模式，将光伏电池板的直流电转换为适合储能电池的电压和电流，实现能量的存储。

当负载需求大于光伏电池板产生的电能时，双向 DC-DC 变换器从储能电池中获取电能，并转换为适合负载需求的电压和电流。此时，双向 DC-DC 变换器工作在放电模式，将储能电池中的电能回馈给负载，保证系统的稳定运行。

（二）光伏储能双向DC-DC 变换器的主要类型

根据不同的拓扑结构和控制方式，光伏储能双向 DC-DC 变换器主要分为以下几种类型：

1. 半桥型双向 DC-DC 变换器：采用两个开关管和两个二极管构成半桥电路，结构简单，但电压范围有限。

2. 全桥型双向DC-DC 变换器：采用四个开关管构成全桥电路，具有较高的电压范围和电流处理能力。

3. 移相控制型双向DC-DC 变换器：通过控制开关管的导通和关断时间，实现能量的双向流动和调节。具有较高的效率和功率密度。

4. 谐振型双向 DC-DC 变换器：采用谐振技术实现能量的高效传输和转换，具有较低的开关损耗和较高的转换效率。

（三）光伏储能双向DC-DC 变换器的设计要求

为了满足光伏储能系统的需求，双向 DC-DC 变换器的设计需要满足以下要求：

1. 高效率：具有较高的转换效率，以降低能量损耗和运行成本。

2. 高可靠性：具有较高的可靠性和稳定性，以保证系统的长期稳定运行

3. 宽范围：能够适应不同的光伏电池板和储能电池的电压、电流要求。

4. 快速响应：能够快速响应系统的能量需求变化，实现能量的优化管理。

5. 低成本：在保证性能的前提下，尽可能降低制造成本，提高经济效益。

二、光伏储能双向DC-DC 变换器的控制策略

（一）恒压控制

为了保证系统在外界环境变化时仍能实现稳定运行，必须有良好的控制策略。通常在储能系统中，双向 DC-DC 变换器的输入电压和输出电压保持恒定是实现系统稳定运行的关键。如果输出电压和输入电压保持不变，则会导致储能元件两端出现过大的电压应力，降低储能元件的使用寿命。因此，在控制策略中需要采取一定措施对储能元件两端电压进行控制，使其保持在一定范围内。

为了实现输出电压和输入电压的恒定，必须采用两种方式：一是改变系统的运行状态；二是改变双向DC-DC 变换器中储能元件的状态。通常情况下，系统运行状态和储能元件的状态变化会导致双向 DC-DC 变换器中储能元件两端的电压发生改变，而这种变化也会导致双向 DC-DC 变换器中储能元件两端出现不同程度的电压应力。

为了防止双向 DC-DC 变换器中储能元件两端产生较大的电压应力，在控制策略中必须采取一定措施来限制双向 DC-DC 变换器中储能元件两端电压的变化量。

通常情况下，这种措施是通过对双向 DC-DC 变换器中储能元件两端电压变化进行补偿来实现。补偿方法包括对双向 DC-DC 变换器中的储能元件两端的交流侧输出端施加一个恒定的直流分量以及对双向 DC-DC 变换器中存在谐振问题时施加一个谐振补偿。另外，还可以采用对双向 DC-DC 变换器中存在谐振问题时施加一个谐振补偿。在以上两种方式下都会导致双向 DC-DC 变换器中储能元件两端产生较大的电压应力。

（二）恒功率控制

恒功率控制是一种直接调节系统输出功率的控制方法。恒功率控制通过调节负载电压 UD，使光伏系统的输出功率等于负载所需的功率。与传统的固定电压、固定功率控制相比，恒功率控制可以在不增加额外能量消耗的情况下，提高光伏系统的发电效率。采用恒功率控制策略可以实现光伏储能系统中储能元件电压电流应力、交流输出电流之间的关系。

当光伏储能系统投入运行后，在光伏阵列吸收能量和电网提供能量之间存在着一定的时间差，为了实现储能元件电压电流应力和交流输出电压与输入电压之间的平衡，必须对光伏阵列吸收能量和电网提供能量进行及时跟踪和调节。此时可以将负载电压 UD 作为参考量，将光伏阵列输出的平均有功功率 UD 作为控制量，调节储能元件中交流侧输出电流Ig，使其与负载需求保持一致。

（三）模糊控制

1. 确定模糊控制规则：首先根据系统输入输出变量的关系建立模糊控制规则表。

2. 选择模糊控制器：根据上述模糊控制规则表中确定的模糊控制器类型，在MATLAB 中建立如下模糊控制系统：

3. 建立隶属度函数：将各变量隶属度函数设为：

4. 确定隶属函数的量化因子：根据实际情况可选取不同的量化因子，越小，输出的电压电流波形就越接近理想波形，但对储能元件的影响也越大。因此量化因子不宜太大，一般选择0.1 左右。

5. 建立模糊控制规则表：根据所建立的模糊控制器类型，将各变量进行模糊化处理后，用隶属度函数来表示输入变量与输出变量之间的关系。将其作为输入量，根据建立好的模糊控制器类型，确定出相应的隶属度函数。应用MATLAB 中模糊控制模块对所建立好的模糊控制器进行仿真测试。

（四）智能控制

在双向 DC-DC 变换器的控制策略中，其电流电压型双闭环 PI 控制是基本的控制方式。虽然该控制方式对光伏储能系统运行状态进行了有效的控制，但也存在一些问题： ① 随着光伏功率的增加，电池充电电流也相应增加，这不仅会造成变换器的功率损耗，而且会导致变换器内部元件温度上升，降低变换器的寿命； ② 电池输出电压随着输入电压变化而变化，不能进行实时闭环调节，难以适应光伏电源和储能电源的不同工作状态； ③ 在光伏电源输出较大电流时，整流器的电感电流将会增大，影响变换器的性能； ④ 当负载突然变化时，变换器工作状态可能会发生较大波动。

结论：

光伏储能双向 DC-DC 变换器在光伏储能系统中具有重要作用，其性能直接影响整个系统的效率与稳定性。通过对变换器的工作原理、类型和控制策略的研究，可以为光伏储能系统的发展提供有益的参考。随着技术的不断进步，光伏储能系统将逐渐成为未来能源领域的重要发展方向。

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