耿運(yùn)濤，鐘 陽，李巧云

?

直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)雙向DC-DC控制器硬件電路設(shè)計

耿運(yùn)濤，鐘 陽，李巧云

(邵陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南邵陽422000)

針對直流微電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向變換時母線電壓不穩(wěn)定問題，對用于直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)中雙向DC-DC變換器的硬件電路進(jìn)行研究與設(shè)計。詳細(xì)介紹了雙向DC-DC變換器的工作原理及硬件電路構(gòu)成，并對硬件電路主要元器件的選型進(jìn)行了說明。為實現(xiàn)實際電路中系統(tǒng)母線電壓產(chǎn)生波動時能迅速恢復(fù)到正常工作電壓狀態(tài)，制作了實物并進(jìn)行測驗。實驗結(jié)果表明，通過合理的雙向DC-DC變換器硬件電路設(shè)計不僅可實現(xiàn)能量的雙向傳遞，且在系統(tǒng)母線電壓波動時，實現(xiàn)DC-DC變換器精確控制可確保直流母線電壓穩(wěn)定，提高直流微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)的可靠性。

直流微電網(wǎng) DC-DC變換器 控制策略 儲能系統(tǒng)

0 前言

目前，風(fēng)能、太陽能等大量新能源的使用，使微電網(wǎng)的使用得到了極大的重視。微電網(wǎng)是目前發(fā)展迅速且獨立可控的供電系統(tǒng)，由儲能系統(tǒng)、微型電源、能量轉(zhuǎn)換裝置和負(fù)載等組成。在微電網(wǎng)中，直流微電網(wǎng)由于其無需考慮頻率穩(wěn)定、無功調(diào)節(jié)、交流損耗等問題，便于接入新能源、電動汽車等設(shè)備，可用于數(shù)據(jù)中心、住宅小區(qū)等場合[1]。在直流微電網(wǎng)中，儲能系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它的合理設(shè)計可以優(yōu)化微電源運(yùn)行，而雙向 DC-DC變換器則是儲能系統(tǒng)的控制核心。在微電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性研究中，雙向DC-DC變換器硬件電路及其控制方式研究是一個關(guān)鍵部分，這關(guān)系到儲能單元的能量雙向流動，通過控制雙向 DC-DC變換器進(jìn)而控制儲能系統(tǒng)使微電網(wǎng)整體電壓穩(wěn)定，滿足微電網(wǎng)的運(yùn)行條件[2,3]。

在雙向DC-DC 變換器硬件電路研究與設(shè)計中，它根據(jù)是否包含有變壓器，可劃分為隔離型和非隔離型。非隔離型的變換器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，控制方便。論文選擇無變壓器非隔離型變換器作為主要研究對象，選用電壓型控制方法對該變換器進(jìn)行控制，但此方法不能實現(xiàn)輸出電流的精確控制。

論文對非隔離型雙向DC-DC變換器硬件電路工作原理進(jìn)行了介紹，完成了元器件參數(shù)的設(shè)計，并制作了實物。在模擬設(shè)定直流微電網(wǎng)母線電壓為30V及采用蓄電池作為儲能系統(tǒng)時，雙向DC-DC變換器具有充電和放電兩種工作模式。測試結(jié)果表明：在充電工作模式下，實現(xiàn)對電池（儲能系統(tǒng)）恒流充電，電池充電電流控制精度小于6％，步進(jìn)值為0.05 A，電流變化率不大于1％，變換器的效率大于91％，當(dāng)充電電壓大于設(shè)定閥值時，停止充電；在放電模式下，變換器效率大于96％。在電源端電壓發(fā)生變化時，系統(tǒng)具有自動切換充放電模式功能。將論文設(shè)計的雙向DC-DC變換器投入直流微電網(wǎng)中使用，可靈活的完成儲能系統(tǒng)和直流母線之間的能量雙向流動，確保母線電壓穩(wěn)定。

1 雙向DC-DC變換器系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為控制核心，由降壓電路、升壓電路、驅(qū)動電路及輔助電路等部分組成，組成框如圖1所示。

圖1 雙向DC-DC變換器的組成拓?fù)鋱D

圖1中，當(dāng)母線電壓穩(wěn)定時，控制器發(fā)出控制信號，控制降壓主電路開始工作，實現(xiàn)對儲能裝置的充電；當(dāng)母線電壓出現(xiàn)波動時，控制器發(fā)出控制信號使升壓主電路開始工作，該電壓加至母線上以維持電壓恒定，通過控制升降壓電路交替工作，繼而實現(xiàn)母線電壓的平衡。

1.2 升壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。該電路主要由電感L1串聯(lián)開關(guān)管VT1及整流二極管，再并聯(lián)VD1濾波電容C1組成[7]，通過控制VT1的開關(guān)，實現(xiàn)DC—DC升壓功能，即輸入直流電壓低于輸出直流電壓。

圖2 升壓變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.3 降壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

降壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 降壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

降壓型（Buck）變換電路對輸入的直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成為脈沖電壓，再通過對該脈沖電壓進(jìn)行LC濾波，使之成為脈動小、穩(wěn)定的直流電壓。在該電路中，其輸入電壓Uin是沒有經(jīng)過濾波進(jìn)行穩(wěn)定穩(wěn)壓的直流電壓；晶體VT1為整個電路中的調(diào)整管（開關(guān)管），該開關(guān)管UB由PWM波控制其通斷狀態(tài)，與后續(xù)電路結(jié)合，實現(xiàn)降壓功能；該電路中由電感線圈L與大電容C組成典型的濾波電路，VD1為電路中的續(xù)流二極管，起著續(xù)流作用。

1.4 大功率開關(guān)管驅(qū)動電路

驅(qū)動模塊是系統(tǒng)主控芯片與執(zhí)行電路之間的聯(lián)系途徑，即主控芯片發(fā)出的控制信號需經(jīng)驅(qū)動電路后方可控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動作。在本系統(tǒng)中STM32的I/O口不能直接驅(qū)動MOS管，只有引入MOS管驅(qū)動電路后方能使系統(tǒng)正常工作。IR2101芯片的主要功能是它具有雙通道信號輸入及輸出，有著柵極驅(qū)動及高壓高速功率驅(qū)動器，該芯片采用的是功能高度集成在一起的電平轉(zhuǎn)換技術(shù)，該類技術(shù)大大完善了邏輯電路對功率器件的控制要求，更提高了驅(qū)動電路對系統(tǒng)的可靠性。由IR2101組成的驅(qū)動電路安全可靠，保證MOS管的可靠通斷由IR2101作為驅(qū)動電路的主控部件，電路如圖4所示。

2 器件選型

2.1 升壓電路主要元器件參數(shù)計算

1）電感的選?。弘姼蠰起儲能作用，根據(jù)電力電子技術(shù)：

其中為PWM波的頻率，為紋波電流，為輸出電壓，為PWM波的占空比，經(jīng)綜合考慮，取500 mH。

2）濾波電容的選?。涸撾娙莸闹饕δ苁瞧馂V波及儲能的作用，電容的選取既要滿足濾波又要滿足輸出電壓維持的要求，根據(jù)電力電子技術(shù)，為：

其中：為輸出功率，為輸出電壓最大值，為輸出電壓最小值。

綜合實際考慮，在5000mF～10000mF中選取。

3）開關(guān)管的選擇：開關(guān)管要求有較高的開關(guān)速度，較高的擊穿電壓，同時又要滿足輸出電路的要求，本設(shè)計的PWM波的頻率為20 kHz，輸出電流在1～2 A，綜合考濾選用：IRF540 IRF540的主要技術(shù)參數(shù)：擊穿電壓最高可到100 V，最大電流=23 A，導(dǎo)通電阻很小，開關(guān)管上升時間為39 ns，滿足系統(tǒng)電路要求。

2.2 降壓電路主要元器件參數(shù)計算

1）電感線圈：電感L起儲能作用，根據(jù)電力電子技術(shù)：

當(dāng)負(fù)載R為10 Ω，開關(guān)頻率f選10 kHz，占空比α取最小值10%時，最小電感值：=450mH。

故可選用最大過電流為3 A的500mH的環(huán)形電感。

2）濾波電容：濾波電容有抑制輸出紋波和儲能穩(wěn)壓的作用，其大小可通過公式

當(dāng)紋波電壓ΔU取0.4 V，U取最大值15 V，取最小值10%，取500mH，f取10 kHz時，可算得濾波電容為84.4mF，可選用470mF～1000mF的鋁電解電容。

3）開關(guān)管的選擇：開關(guān)管的選擇與升壓電路一樣，本設(shè)計選用IRF9540N。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試儀器及方案

系統(tǒng)測試選用電流表、電壓表、數(shù)字儲存示波器，數(shù)字萬用表等儀器設(shè)備，測試方案如圖5所示：

圖5 測試方框圖

圖6 雙向DC—DC變換器實物測試波形圖

3.2 實物測試

設(shè)定系統(tǒng)母線電壓為30 V，電路正常工作時，母線電壓恒定，給負(fù)載穩(wěn)定供電，且降壓主電路開始工作，將母線電壓降至儲能裝置額定電壓進(jìn)行充電；當(dāng)母線電壓低于30 V時，升壓主電路開始工作，將儲能裝置電壓升至30 V供給母線，同時給負(fù)載供電，確保母線電壓恒定于30 V。實物測試波形圖如6所示，測試結(jié)果如表1所示：

4 結(jié)論

論文給出了雙向DC-DC變換器硬件電路的工作原理及主要元器件的選型，并就直流微電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向變換時母線電壓不穩(wěn)定問題進(jìn)行研究，通過實物測試結(jié)果表明：系統(tǒng)既能工作在充電模式，也能工作在放電模式，且能根據(jù)要求進(jìn)行自動切換；工作在充電模式時，電流控制精度不低于5%，充電電流的變化率不大于1%，工作效率大于90%，當(dāng)充電電壓達(dá)到母線電壓時，能切斷充電；工作在充電模式時，變換器的效率大于95%，在系統(tǒng)供電電壓發(fā)生變化時，系統(tǒng)能自動切換工作模式?？捎行Ы鉀Q直流微電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向變換時母線電壓不穩(wěn)定問題。

[1] 張衛(wèi)平等. 綠色電源—現(xiàn)代電能變換技術(shù)及應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2001.

[2] 童亦斌，吳峂，金新民，等．雙向 DC/DC 變換器的拓?fù)溲芯縖J].中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27( 13) : 82-86．

[3] 劉海波，毛承雄，陸繼明，等．電子電力變壓器儲能系統(tǒng)及其最優(yōu)控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2010，26( 12) : 54-60．

[4] 梁永春，許麗川，嚴(yán)仰光．一種雙閉環(huán)控制隔離 Boost 變換器起動控制策略[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報，2010, 30( 17) :15-20．

[5] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術(shù)[M]. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

Design of Hardware Circuit for Bidirectional DC - DC Controller in DC Micro - grid Energy Storage System

Geng Yuntao, Zhong Yang, Li Qiaoyun

（Shaoyang Polytechnic, Shaoyang 422000, Hunan, China ）

TM463

A

1003-4862（2017）07-0044-04

2017-03-15

湖南省2017年省教育廳科學(xué)研究項目（項目編號17C1468）

耿運(yùn)濤(1989-)，男，碩士。研究方向:電力電子變換與控制技術(shù)。