一种可重构的非隔离三端口转换器，采用混合四边形电流调制技术，实现光伏储能系统中的宽范围软开关控制

《IEEE Transactions on Power Electronics》：A Reconfigurable Nonisolated Three-Port Converter With Hybrid Quadrilateral Current Modulation for Wide-Range Soft-Switching in PV-Storage Systems

非隔离三端口转换器在光伏储能系统中存在电压适应范围窄、硬开关损耗高、软开关与高功率能力矛盾等问题。本文提出一种可重构高功率密度无源软开关拓扑，通过双输出架构与功率路径重构实现宽输入电压（29.43-80V）下的单阶段能量转换，结合电感串联机制与开关并联电容设计，创新性提出混合可重构四象限调制方法，使全负载范围实现零电压开关，最大功率传输达512.99W，并优化多模式下的占空比组合以降低电流有效值，显著减少开关和电感损耗。实验验证其峰值效率97.1%、电压纹波0.71%指标优异。

　　

摘要：

针对传统非隔离式三端口转换器（TPC）在光伏储能（PV-ES）系统中的局限性——如电压范围受限、硬开关损耗高以及软开关性能受负载功率影响等问题，本文提出了一种可重构、高功率密度、无损耗的非隔离式TPC。通过集成双输出架构和电源路径重构的概念，实现了光伏端口、储能端口和负载端口之间的单级宽电压范围能量转换。结合电感串联机制和开关并联电容设计，提出了一种混合可重构的四边形调制方法来控制电感电流。这使得TPC能够在29.43–80 V的宽输入电压范围内实现全负载范围的零电压开关（ZVS），最大功率传输能力提升至512.99 W。此外，为了最小化电感电流的有效值，确定了在多种工作模式下实现全负载范围软开关的最佳占空比组合，显著降低了开关导通损耗和电感损耗。实验结果表明，所提出的TPC在单输入双输出、双输入单输出和单输入单输出三种模式下均实现了全范围ZVS，其在额定功率下的峰值效率达到97.1%，电压纹波低于0.71%。这项工作为光伏储能系统中的高效能量管理提供了理论和技术支持。

引言

作为最有前景的可再生能源之一，太阳能因其清洁性和地理适用性而在光伏发电系统中受到了广泛关注[1]、[2]。然而，太阳辐照度和温度的波动导致光伏发电具有间歇性和随机性[3]、[4]，因此需要使用储能装置来维持系统功率平衡并提高供电可靠性[5]、[6]、[7]。传统的光伏储能（PV-ES）系统采用多个DC–DC转换器进行端口互联，但这些转换器存在体积大、效率低和控制复杂的缺点[8]、[9]。三端口转换器（TPC）[10]、[11]将光伏端口、储能端口和负载端口集成在一个功率转换阶段[12]、[13]，根据实际运行条件实现三者之间的能量传输：光伏端口到负载端口（PV–L）、光伏端口到电池端口（PV–B）以及电池端口到负载端口（B–L）。这种集成显著提高了系统的功率密度和动态响应性能[14]、[15]。在TPC拓扑结构中，非隔离式TPC由于其组件数量少和控制性能优越而成为PV-ES系统的理想选择[16]、[17]。然而，传统的非隔离式TPC仍面临三个主要挑战。

1) 电压适应性差：传统拓扑结构受到端口电压限制（例如V_b < V_i < V_o [18]），难以适应宽范围的光伏输入。虽然可以通过使用双电感和中间电容来扩展输入电压范围[19]、[20]，但这需要额外的无源元件，从而牺牲了功率密度。虽然三电感转换器消除了中间母线电容并显著扩展了输入电压范围，但它无法实现单输入单输出（SISO）工作模式[21]。最近的研究（例如[22]）虽然实现了宽工作范围，但效率有所牺牲。

2) 高硬开关损耗：现有的硬开关技术在高频或宽输入电压条件下会导致较大的开关损耗[23]、[24]。尽管单电感时分控制架构提高了集成度[25]，但它限制了功率传输能力。虽然无源缓冲电路可以实现部分软开关[26]，但会增加磁芯损耗和电压应力。此外，使用耦合电感和单开关辅助单元来抑制电压应力并提高效率会因磁饱和限制而使最大输出功率受限[27]。3) 软开关与功率能力之间的矛盾：现有的软开关技术[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]通常依赖于特定的负载条件或输入电压条件[27]、[32]、[33]。尽管某些技术[27]实现了所有模式下的软开关，但输入电压范围较窄，满载功率仅为250 W，难以满足高功率密度的要求。值得注意的是，高功率原型（例如[34]）通过缓冲电路实现了零电压开关（ZVS），但会带来效率损失和控制复杂性，进一步凸显了这一固有的矛盾。利用宽禁带器件和模块化设计的新兴解决方案（例如[35]）在缓解这一矛盾方面显示出潜力，但如何在宽电压范围和功率能力之间取得平衡仍是一个未解决的问题。

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