当因为本钱或物流约束而无法实际增加电网衔接时，独立电力体系在为偏远地区供电方面发挥着至关重要的效果。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重视。另一方面，因为可再生能源的不稳定性，需求电力电子体系进行调理。日益增长的电力需求促进研讨人员开发电力电子转化器，以进步可再生能源的利用率[1, 2]. 在瞬态和峰值需求期间，仅依托可再生能源发电难以满意需求；因而，需求电池储能体系（BESS）提供具有快速动态呼应的备用电源。BESS 的接入不仅向负载提供备用电源，还存储可再生能源发生的剩余电力。因而，可再生能源利用率得到进步 [3–5]. 电池储能体系（BESS）一般具有针对不同运用的规范安时（Ah）额定值和电池电压额定值，或许与电源额定值不持平。因而，为了独立操控电池储能体系的充放电，需求额定的直流（DC）/直流（DC）转化器。该转化器一般集成在可再生能源和电池储能体系的惯例直流总线中。由可再生能源、电池和电网/负载组成的配电体系的特点是同时存在直流和沟通总线。因而，为了将电池储能体系集成到衔接沟通电网/负载体系的可再生能源中，传统上会运用多个转化器，进行多于两级的转化[6, 7，如图所示图1a。然而，进一步的研讨表明，如果挑选的储能体系（BESS）使其额定值与直流母线电压持平，则可以省去直流链与储能体系变流器之间的直流/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体系接入沟通端口的办法是，将可再生能源与逆变器以及电池储能与另一台逆变器互联，再将其衔接至负载或电网，如图所示图1c. 可是，因为运用了多个转化器，功率密度非常高，功率转化损耗也更大。因而，一种更简略的办法是将多个独立的功率转化器组合起来，将多个端口集成到一个称为多端口转化器的单个转化器中，如图1d所示Fig. 1d [10, 11].
用于不同运用的功率变换器框图。(a) 两个DC/DC变换器和一个DC/AC变换器；(b) 一个DC/DC变换器和一个DC/AC变换器；(c) 两个DC/AC变换器；(d) 三端口变换器装备。
据文献记载，两个衔接到沟通体系的直流端口一般用于工业运用。因为其在工业范畴的重要性，混合动力电动汽车（EV）动力总成或并网光伏（PV）-电池体系等运用在混合规划中尤为突出[4]. 为了将光伏体系衔接到沟通电网或负载，有必要先经过升压级，然后再衔接到逆变器。有必要运用一定数量的太阳能电池板才干防止这一升压过程；因而，衔接到沟通电网或负载的混合光伏-储能体系至少需求两个功率转化器 [12]. 相同，在电动汽车运用中，多个功率变换器被用于衔接储能元件和衔接至逆变器的燃料电池。具有多个功率变换器的体系存在功率密度较低的问题。将所有阶段整合为一个具有多个集成端口的独立功率级的代替规划计划被称为多端口变换器，相关研讨已在文献中有所报导[13–15].
本文提出了一种单级非隔离三端口双向变换器，用于衔接三相沟通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，构成三端口变换器。以独立光伏-储能体系为例，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完成了光伏-储能体系与独立沟通负载之间的互联。[15] 升压或降压，将直流电压转化为所需的沟通电压，在输出端提供低谐波沟通电流，并选用单级功率转化单元。尽管如此，其运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括操控器的详细说明，也未讨论硬件完成。为了完成单沟通端口与双直流端口的互联，本文致力于展示一种三相单级多输入/输出双向变换器。
电力变换器的闭环操控办法大致分为两类：线性操控技能和非线性操控技能 [17]。份额积分（PI）操控是规范且成熟的线性操控办法 [18]。因为PI操控器呼应速度较慢，依据PI操控办法衍生出了直接功率操控办法 [19].
此外，为了取得快速的动态呼应和适应性，已选用了非线性操控技能[20]。对于多端口变换器而言，经过最广泛研讨和开发的非线性操控器是前提条件[21]。[中的研讨探讨了滑模操控办法与传统PI操控的比较。22]中描绘的多环线性操控办法。本文结构如下。引言部分对现有拓扑结构的文献进行了总述。第1节推导了所提出的三端口变换器（TPC）拓扑结构及其不同的作业形式。第2节描绘了建模和操控技能。第3节展示了所提出的TPC用于三相独立运用的模仿和试验结果。最终，第4节给出了定论。23] 减小了电压对负载改变的敏感度，但需求多个操控回路，这使得操控器的构建更加困难。在本研讨中，选用一种依据多输入多输出状态空间建模办法的有限操控集模型预测操控器（FCSMPC），结合调制计划和操控办法，用于操控各端口之间的功率流动 [24].
The structure of this paper is as follows. The literature survey of the existing topologies has been described in the introduction. Section 1 presents the derivation of the proposed three-port converter (TPC) topology and its different modes of operation. In Section 2, the modelling and controlling technique is described. Section 3 depicts the simulation and experimental results of the proposed TPC for three-phase stand-alone applications. Finally, Section 4 presents the conclusions.
本节将论述依据传统两阶段变换器的转化器推导过程。为了整合两个直流端口和一个沟通端口，典型的全桥变换器与两阶段双向升降压变换器级联，如图2a所示。它包括八个开关和一个电感。图2b展示了所提出的变换器，其间降压/升压变换器的两个开关被两个附加电感所代替。因而，全桥变换器的每条桥臂都衔接了一个电感，用于降压/升压运转。用于衔接光伏-储能体系的所提多端口变换器拓扑的电路图如图3所示。该装备包括三个端口：光伏衔接至榜首端口，储能体系衔接至第二端口，独立三相沟通负载衔接至第三端口。
多端口变换器的装备。(a) 惯例变换器装备；(b) 提出的变换器装备。
所提独立光伏-电池储能体系输入与输出变量的示意图
如图3所示，所主张的转化器仅包括六个开关，其规划依据三相全桥转化器。该转化器在每条支路上兼具双向DC/DC转化器和DC/AC转化器的功能。光伏端口和电池端口履行惯例的降压/升压操作，而光伏端口和负载端口则履行传统的DC/AC操作。因而，该拓扑结构中观察到了DC/DC和DC/AC的同步运转。输入直流电压源来自光伏阵列。经过将依据增量电导最大功率点盯梢（IC-MPPT）算法的有限集模型预测操控（FCSMPC）计划运用于多端口转化器的功率开关，转化器可以提取光伏阵列的最大功率。光伏母线电压经过IC-MPPT算法维持在最大功率点。除了光伏板外，还衔接了电池以完成输入端与输出端之间的功率平衡。当光伏发电缺乏，或体系负载需求较低时，电池作为能量储藏，为负载供电或吸收剩余的光伏能量。Vpv is maintained at the maximum power point using the IC-MPPT algorithm. Along with the PV, a battery is connected to attain the power balance between the input and output ports. When PV power generation is insufficient, or the load requirement is lower in this system, the battery functions as a reserve of energy, giving power to the load or absorbing the extra PV energy generated.
不同开关序列下变换器的电流途径如图所示图4。基本上，该拓扑结构存在八种或许的开关序列，可分为零区间和功率区间两大类。在零区间，即(000)和(111)区间，仅直流电感()进行充放电，无功率传输至沟通负载，如图dc4a所示和在功率区间内，即当顶部开关和底部开关中至少有一个导通时，DC/DC和DC/AC操作同时进行。图4c和展示了触及功率区间（011）和（100）的六个序列中的两个。 and d illustrates two of the six sequences involving the power interval (011) and (100).
变换器的运转区间。(a) 零区间 (0,0,0)，(b) 零区间 (1,1,1)，(c) 功率区间 (0,1,1)，(d) 功率区间 (1,0,0)。
依据功率守恒定律，负载消耗的功率与体系输入的总功率有必要持平。所提变换器的功率平衡方程如式(1)所示：
ΣPoutput=ΣP input其间Poutput 为体系输出功率，Pinput为体系输入功率。
在该拓扑结构中，各端口的标准参数被选定，以保证其能够满意整个负载的需求。所提变换器具有四种作业形式。以下各点分别描绘了这四种功率传输形式：
(ii) 单输入单输出（仅PV输入）形式：在此运转形式下，沟通负载由PV供电。电池既不充电也不放电。功率平衡公式如公式(2)所示：
其间PPV是PV端口的功率，Pacload是沟通负载端口的功率。
(ii) 单输入双输出形式：电池正在充电，因为在这种状态下，光伏输入发生的功率超过了负载所需的功率。公式(3)是功率平衡方程：
其间PBat是电池端口的功率。
(iii) 双输入单输出形式：在此条件下，因为光伏功率输出较低，无法单独驱动沟通负载。在这种情况下，电池会放电。功率平衡公式的表达式如公式(4)所示：
(v) 单输入单输出（单电池）形式：在此状态下，电池是沟通负载的唯一电源。光伏不发生任何功率。公式(5)是功率平衡方程：
这四种功率形式会依据各端口的可用功率发生改变。因为转化器具备充放电电池的能力，能量利用率得以进步。
本文提出的多端口变换器的功率电路如图所示图3。该变换器同时履行直流/沟通和直流/直流操作。电池和光伏端口触及直流/直流操作，而光伏和沟通负载触及逆变操作。该变换器包括三个相臂，每个相臂有两个功率开关，可运用= 1 和x或) 以便衔接各自的读档端子。因而，该转化器触及 2x = 0 (= 8种或许的切换状态，因为存在三个相位，每个相位有两个操控动作。 =表1, 列出了所有八种或许的门极信号切换组合及其相应的八个电压矢量。参考图3，它触及三个操作变量（和3) 其间和分别是各相的节点电压，以及三个受控变量 (和) 其间是独立沟通负载的线电压，a, 是电池端口的电流，而b是光伏端口的电压。公式(6)给出了变换器输出电压的空间矢量。电压空间矢量的装备如c图5所示va, vb and vc are the node voltages of each leg, respectively, and three controlled variables (vo, iBat and vpv) where vo is the line voltage of the stand-alone AC load, iBat is the current in the battery port and vpv is the voltage at the PV port. Equation (6) provides the space vector for the output voltage vo generated by the converter. The configuration of a voltage space vector is depicted in Fig. 5.
所提变换器的开关状态与输出电压矢量
| Ga | Gb | Gc | v0 |
|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 23vpv |
| 1 | 1 | 0 | vpv3+j3∗vpv3 |
| 0 | 1 | 0 | −vpv3+j3∗vpv3 |
| 0 | 1 | 1 | −2vpv3 |
| 0 | 0 | 1 | −vpv3−j3∗vpv3 |
| 1 | 0 | 1 | vpv3−j3∗vpv3 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
逆变器发生的或许电压矢量
其间a=ej2π/3=−0.5+j0.866是一个表明沟通负载三相之间120°相移的矢量。vo是由PV母线电压和其相应桥臂的开关状态决议的操作变量，如公式(7)所示：
vo= Gi∗vpv with i∈{a,b,c}开关状态由PV、电池和沟通负载的操控变量经过操控技能确认，相关内容将在第2节中讨论。门极信号和a,在公式(8–10)中表明：b and Gc are expressed in Equations (8–10):
Ga= {1; if G1 on and G4 off 0; if G1 off and G4 on和a, 是所提变换器各相腿的开关状态变量。b和因为两种变换（DC/DC和DC/AC）均选用相同的开关机制，直流母线电压依据所需的沟通负载电压设定为特定值。因为光伏（PV）辐照度的改变，其输出也随之改变，难以持续满意沟通负载需求。因而，选用电池来平衡光伏发电与沟通负载需求之间的功率。当光伏发电量缺乏时，电池作为能量储藏，向负载供电，使双向DC/DC变换器作业于升压形式。c are the switching state variables of the a, b and c legs, respectively, of the proposed converter.
相同地，当体系中负载需求较低时，电池吸收剩余的光伏能量，使双向DC/DC变换器作业于降压形式。
因为直流母线电压由沟通负载决议，而衔接至直流母线的光伏阵列电压是可变的，因而在光伏阵列处衔接了电池。电池的电压等级是依据双向直流/直流变换器的电压增益来挑选的。电池放电时的电压增益由公式(11)给出，电池充电时的电压增益由公式(12)给出：
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