具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种光伏和储能一体的功率变换器拓扑，功率变换器拓扑包括半桥单元、滤波元件和直流电源，如图1、图2所示，半桥单元包括第一半桥单元H1、第二半桥单元H2和第三半桥单元H3，直流电源包括第一直流电源u₁和第二直流电源u₂，滤波元件包括第一滤波电感L_h1、第二滤波电感L_h2、第三滤波电感L_h3、第四滤波电感L_o、第一滤波电容C₁和第二滤波电容C₂。

第一直流电源u₁和第二直流电源u₂可以为光伏电池或储能电池，第一直流电源u₁的正极通过第一滤波电感L_h1接到第一半桥单元H1的桥臂中点；第一半桥单元H1的直流母线上安装第一滤波电容C₁，正极通过第四滤波电感L_o接到输出电压u₀的正极；第二直流电源u₂的正极通过第二滤波电感L_h2接到第二半桥单元H2的桥臂中点；第二半桥单元H2的直流母线上安装第二滤波电容C₂，正极接到输出电压u₀的负极；第二直流电源u₂的正极通过第三滤波电感L_h3接到第三半桥单元H3的桥臂中点；第三半桥单元H3的直流母线正极与第一直流电源u₁正极相接；两个直流电源的负极和三个半桥单元的直流母线负极均接地。

由于第二滤波电容C₂的高频阻抗接近于0，因此交流输出电压u₀的负极对地无高频共模电压，功率变换器拓扑不会产生高频漏电流，从而可提高设备运行的安全性和可靠性。

下面以第一直流电源u₁代表储能电池、第二直流电源u₂代表光伏电池板对功率变换器拓扑的工作原理进行说明。在稳态时，滤波电感上的压降和滤波电容的电流可以忽略。则由图可知

u_dc1-u_dc2＝u_o (1)

其中，u_dc1为第一半桥单元H1的直流母线电压；u_dc2为第二半桥单元H2的直流母线电压，u_o为交流输出电压。进一步考虑式(1)中各项的直流分量和交流分量，则有：

其中，U_dc1和U_dc2分别表示第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的直流母线电压中的直流分量，u_x1和u_x2则分别表示交流分量。式(2)表明，第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的直流母线电压直流分量在稳态时应相等，而交流分量之差应等于输出电压u₀。则由式(1)和(2)可得：

其中，U_dc＝U_dc1＝U_dc2，a为任意实数。根据式(3)和附图2可知，由于输出电流i_o同时流过第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的直流母线以及输出电压u_o，参数a代表了第一半桥单元H1向输出提供的有功功率占比。如a＝0表示第一半桥单元H1不向输出提供有功功率、第二半桥单元H2提供全部的有功功率；a＝0.5表示第一半桥单元H1和第二半桥单元H2向输出提供相同的有功功率；a＝1表示第一半桥单元H1提供全部的有功功率、第二半桥单元H2不向输出提供有功功率；a＝-1表示第一半桥单元H1吸收与负载相同的功率，第二半桥单元H2不仅提供全部的输出功率，还通过输出间接向第一直流电源u₁传输功率，这适用于储能电池充电的应用场景。

假设稳态时交流输出电压u_o和输出电流i_o均为正弦，则不失一般性，u_o和i_o可表示为：

其中，U_om为输出电压幅值，i_om为输出电流幅值，ω_o为输出角频率，为输出功率因数角。则根据附图2可知，第一半桥单元H1和第二半桥单元H2向输出提供的瞬时视在功率为p_dc1和p_dc2：

则由此可知，由第一半桥单元H1和第二半桥单元H2提供的瞬时视在功率包含直流分量、频率为输出频率ω_o的交流分量、频率为两倍输出频率的交流分量。进一步由功率平衡原则可知，第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的桥臂电流i_h1和i_h2可表示为：

式(6)表明，i_h1和i_h2在稳态时也包含直流分量、频率为输出频率ω_o的交流分量、频率为两倍输出频率的交流分量。

根据上述分析，可以首先得到第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的闭环控制方法，具体步骤包括：

S1：采集输出电压u_o、第四滤波电感L_o的电流i_o，并采用电压和电流闭环控制产生第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的直流母线电压差值信号参考值u_x ^*，其中u_x ^*即表示式(3)中u_x1-u_x2的参考值。对于单相逆变器，本步骤中设计的闭环控制可以采用典型的静止坐标系下基于谐振控制器的电压-电流双闭环控制策略，其中谐振控制器的谐振频率设置为输出频率ω_o。

S2：分别设定第一半桥单元H1和第二半桥单元H2的直流母线电压参考值为u_dc1 ^*和u_dc2 ^*，表达式为：

式中，U_dc ^*为设定的直流母线电压参考值直流分量；a为功率分配系数，其取值范围为任意实数。其中，a可根据光伏电池板的出功情况、储能电池的剩余容量动态调节。根据半桥电路的工作原理，任意半桥电路的直流母线电压值应大于桥臂电压。则由式(7)可知，U_dc ^*需在任意时刻均同时满足：

和

在实际中，可以根据光伏电池的电压范围、储能电池的电压范围以及输出电压u₀的范围，由式(8)和(9)设定固定的U_dc ^*，也可以根据实时的光伏电池电压和储能电池电压实时调节U_dc ^*的大小。

S3：采集第一半桥单元H1的桥臂电流i_h1和直流母线电压u_dc1，并进行电压和电流闭环控制，使得u_dc1在稳态时与u_dc1 ^*相同。根据半桥电路的工作原理，可以采用外环为u_dc1闭环控制、内环为i_h闭环控制的双闭环控制策略。根据式(3)和(6)可知，在稳态时u_dc1和i_h1均包含直流分量和交流分量，则在闭环控制中可对u_dc1采用比例-积分-谐振控制器，其中比例控制器用于调节动态响应速度，积分控制器用于实现对直流分量的无静差跟踪，谐振控制器则实现对交流分量的无静差跟踪。由式(3)可知，u_dc1仅包含频率为ω_o的单一交流分量，则可将u_dc1的谐振控制器的谐振频率为ω_o。内环也采用比例-积分-谐振控制器对i_h1进行闭环调节。由式(6)可知，i_h1包含频率为ω_o和2ω_o的两种交流分量，则i_h1需采用谐振频率分别为ω_o和2ω_o的复合谐振控制器。

S4：采集第二半桥单元H2的桥臂电流i_h2和直流母线电压u_dc2，并进行电压和电流闭环控制，使得u_dc2在稳态时与u_dc2 ^*相同。具体的闭环控制方法及控制器结构与第一半桥单元H1的相同。

下面进一步说明第三半桥单元H3的作用和工作原理。由附图2和式(6)可知，在没有第三半桥单元H3作用时，储能电池输出的电流为i_h1，光伏电池输出的电流为i_h2，两种均包含直流分量、频率为输出频率ω_o的交流分量、频率为两倍输出频率的交流分量。储能电池可以接收一定容量的交流分量，但光伏电池板一般需工作于最大功率跟踪模式，其输出电流应仅有直流分量。为此，本发明设置第三半桥单元H3来消除光伏电池(第二直流电源u₂)中的交流纹波，即通过控制使得i_h3的交流分量与i_h2的相同。同时，第三半桥单元H3也提供了光伏电池到储能电池的直接能量流通路径，使得在光伏电池产生的电量大于负荷需求时，将剩余电量高效存储在储能电池中。

下面进一步说明第三半桥单元H3的控制方法，具体包括如下步骤：

S5：设定第三半桥单元H3的桥臂电流i_h3的参考值为i_h3 ^*，采集电流i_h3并进行闭环控制，使得i_h3在稳态时与i_h3 ^*相同。其中i_h3 ^*的设定方法为：

式中I_h3 ^*代表i_h3 ^*中的直流分量，用于控制光伏电池流向储能电池的功率，在实际应用中可根据光伏电池板的出功情况、储能电池的剩余容量动态调节；代表频率为输出频率的交流分量，c为权重系数，c＝0表示第三半桥单元H3不消除第二直流电源u₂电流中频率为输出频率的交流分量，c＝1表示完全消除这部分交流分量；代表频率为两倍输出频率的交流分量，d为权重系数，其含义与c类似；函数表示提取中频率为两倍输出频率的交流分量，在实际中可采用带通滤波器或广义二阶积分器等方法实现。根据式(10)可知，i_h3也包含多个频率分量，可采用比例-积分-谐振等控制器实现闭环控制，具体的控制结构与i_h2的相同。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。