馮興田，張 磊，高春俠

（中國石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，青島 266580）

電力電子技術(shù)是使用電力電子器件對電能進(jìn)行變換和控制的技術(shù)，作為一門強(qiáng)弱電結(jié)合的學(xué)科交叉技術(shù)，已經(jīng)成為電氣、自動化、電子、機(jī)電等學(xué)科專業(yè)的重要課程，要求具有很強(qiáng)的動手實(shí)踐能力和分析解決問題的能力[1-2]。電力電子技術(shù)的核心內(nèi)容為交流和直流相互間的4種電力變換，而直流/直流（DC/DC）變換是指將直流電變?yōu)榱硪环N固定直流電壓或可調(diào)直流電壓的電力變換。隨著新能源發(fā)電和儲能技術(shù)的飛速發(fā)展，DC/DC變換器的作用日益突出[3-5]。為了將DC/DC變換器的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，并融入一定的科研思想，實(shí)驗室開發(fā)了基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺。

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺主要由儲能單元和雙向DC/DC變換器構(gòu)成。儲能單元由多個超級電容器構(gòu)成模組實(shí)現(xiàn)。雙向DC/DC變換器將降壓Buck電路和升壓Boost電路有機(jī)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動，該系統(tǒng)在饋能性負(fù)載、能量備用、快速輸出能量調(diào)節(jié)、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電中應(yīng)用較為廣泛[6-8]。通過該實(shí)驗平臺，學(xué)生在提高仿真實(shí)驗分析能力和綜合實(shí)踐能力的同時，也可深刻體會電力電子技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。通過理論結(jié)合實(shí)踐的訓(xùn)練，促進(jìn)以學(xué)生為中心的實(shí)踐教學(xué)，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研能力[9-11]。

1 基于儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗系統(tǒng)

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)主要包括主電路系統(tǒng)和控制系統(tǒng)兩大部分。主電路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，控制系統(tǒng)根據(jù)控制要求，通過數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、控制輸出等過程，完成系統(tǒng)的功能開發(fā)。

1.1 實(shí)驗平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗系統(tǒng)如圖1所示。超級電容器儲能單元與雙向DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，雙向DC/DC變換器與負(fù)載（饋能性負(fù)載等）實(shí)現(xiàn)能量雙向流動，因此對于儲能單元的荷電狀態(tài)和雙向DC/DC變換器需要進(jìn)行有效控制。數(shù)字信號處理器DSP28335控制器采樣儲能單元的電壓電流參數(shù)以及雙向DC/DC變換器的輸出電壓電流參數(shù)，通過DSP計算處理與數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)滿足控制策略的輸出，經(jīng)過驅(qū)動單元控制構(gòu)成雙向DC/DC變換器的全控型電力電子器件，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載上的能量緩沖和電壓穩(wěn)定。

圖1 基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗系統(tǒng)框圖Fig.1 Experimental system diagram of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

1.2 雙向DC/DC變換器設(shè)計與結(jié)構(gòu)原理

雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括全控型電力電子器件S1、S2以及與其并聯(lián)的電力二極管 D1、D2，儲能電感L，濾波電容C1、C2，等效電源V1、V2及其等效內(nèi)阻RS1、RS2。其工作原理如下：S1、S2的觸發(fā)脈沖互補(bǔ)，如圖3所示；t0＜t＜t1時，IL＜0 ，電路工作于Buck降壓模式，二極管 D2續(xù)流，電流路徑為 D2-L2-C1-D2；t1＜t＜t2時，IL＞0，GS2＞0，開關(guān)器件 S2導(dǎo)通，電路工作于Boost升壓模式，電流路徑為 S2-C1-L-S2；t2＜t＜t3時，IL＞0 ，GS2＜0 ，開關(guān)器件 S2關(guān)斷，二極管 D1續(xù)流，電路工作于Boost模式，電流路徑為L-D1-C2-C1-L ；t3＜t＜t4時，IL＜0 ，GS1＞0 ，開關(guān)器件 S1導(dǎo)通，電路工作于Buck模式，電流路徑為L-C1-C2-S1-L；t=t4時，進(jìn)入下一周期的循環(huán)。

電路工作在Buck模式時，IL＜0；電路工作在Boost模式時，IL＞0，電流的雙向流動意味著能量可在V1和V2之間雙向傳遞。儲能電感L發(fā)揮能量傳遞與緩沖的作用，電容C1、C2發(fā)揮濾波穩(wěn)壓的作用。

圖2 雙向DC/DC變換器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of bidirectional DC/DC converter

圖3 雙向DC/DC變換器工作原理Fig.3 Working principle of bidirectional DC/DC converter

1.3 儲能單元設(shè)計

常規(guī)控制下，超級電容儲能單元為備用能量，負(fù)載另有其他設(shè)備提供。當(dāng)超級電容器電壓小于給定荷電電壓狀態(tài)時，超級電容器會經(jīng)過雙向DC/DC變換器從直流母線吸收能量，直到超級電容器電壓達(dá)到給定荷電電壓時，雙向DC/DC變換器停止工作；當(dāng)負(fù)載側(cè)能量動態(tài)變化時，雙向DC/DC變換器投入工作，快速輸出/吸收能量，補(bǔ)償負(fù)載的能量波動，保證負(fù)載的電壓電流穩(wěn)定。

由于超級電容單體的耐壓值大約為2.5 V，超級電容器儲能單元通常由多個超級電容器單體串并聯(lián)構(gòu)成模組使用。超級電容器的數(shù)量通常由輸出電壓等級、儲存能量大小、能量釋放比例等來決定。通常情況下，超級電容存儲的能量為最大存儲能量的67%，超級電容吸收或釋放的能量大約為超級電容儲存能量的33%，根據(jù)這些要求可以計算出所需超級電容器的數(shù)量和容量。

1.4 控制系統(tǒng)

根據(jù)基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了如圖4所示以數(shù)字信號處理器DSP28335為核心的控制系統(tǒng)，主要包括采樣電路、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、DSP控制器和驅(qū)動緩沖電路5個單元[12]。

DSP控制器采用德州儀器公司（TI）的TMS320F28335作為核心，變流器的輸入輸出電壓和電流通過高精度電阻分壓進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，經(jīng)過差分運(yùn)放器AD620構(gòu)成的信號調(diào)理電路，匹配A/D轉(zhuǎn)換器MAX125的輸入要求，通過A/D轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量。根據(jù)實(shí)時跟蹤實(shí)際需求，DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，實(shí)現(xiàn)高頻濾波器、數(shù)字調(diào)節(jié)器的設(shè)計，進(jìn)行數(shù)字閉環(huán)調(diào)節(jié)控制，生成脈寬調(diào)制PWM（pulse width modulation）輸出脈沖序列，再經(jīng)過驅(qū)動緩沖電路提供雙向DC/DC變換器的驅(qū)動信號，同時針對出現(xiàn)的故障問題予以保護(hù)，對輸出電壓和電流予以限制。

圖4 控制系統(tǒng)框圖Fig.4 Control system diagram

驅(qū)動緩沖電路由IR公司生產(chǎn)的IR2110實(shí)現(xiàn)，IR2110驅(qū)動器兼有光耦隔離（體積?。┖碗姶鸥綦x（速度快）的優(yōu)點(diǎn)，是中小功率變換裝置中驅(qū)動器件的首選。IR2110具有的自舉懸浮驅(qū)動電源，很大程度上簡化了驅(qū)動電源設(shè)計，只用一路電源即可完成上、下橋臂兩個功率開關(guān)器件的驅(qū)動。

2 實(shí)驗平臺設(shè)計實(shí)施與運(yùn)行管理

針對基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統(tǒng)，搭建了實(shí)驗平臺。本文以Boost升壓模式為例，對系統(tǒng)控制策略進(jìn)行了分析，設(shè)計開發(fā)了多種實(shí)驗項目，開展實(shí)驗教學(xué)改革，進(jìn)而提升學(xué)生的動手實(shí)踐能力、科研創(chuàng)新能力和分析解決問題的能力等[13-15]。

2.1 仿真系統(tǒng)搭建

實(shí)驗系統(tǒng)首先應(yīng)用電力仿真軟件PSIM，在仿真環(huán)境下，通過選取、連接并設(shè)置相應(yīng)的電路元件，搭建系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。仿真系統(tǒng)簡化電路如圖5所示，其中，ISEN、VSEN分別為電流傳感器和電壓傳感器；VSC、Vout分別為超級電容等效電壓和輸出電壓；PI為比例積分調(diào)節(jié)器。仿真系統(tǒng)中控制部分采用了比例積分加限幅的控制方法，PWM生成采用了載頻三角波比較法，學(xué)生可根據(jù)要求繼續(xù)搭建功能更完善的仿真系統(tǒng)，也可以改進(jìn)控制策略。

圖5 仿真系統(tǒng)簡化電路Fig.5 Simplified circuit of simulation system

圖6為電壓和電流仿真波形，uo為雙向DC/DC變換器輸出電壓波形，給定設(shè)定值100 V；iR為負(fù)載電流，給定初值10 A，uC為超級電容器電壓。圖6（a）中uo等于設(shè)定值且保持穩(wěn)定，iL為流過電感L的電流，通過局部放大的波形可以看出，電感充放電過程中該電流的變化特性。圖6（b）為負(fù)載電流在±5 A波動時各變量的仿真波形，uo仍能維持給定值不變，局部放大波形說明超級電容電壓uC隨之波動，體現(xiàn)出雙向運(yùn)行時充放電的特性，從仿真波形可以驗證控制策略的可行性。

圖6 電壓和電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of voltage and current

通過該仿真系統(tǒng)，學(xué)生可以靈活地開展仿真設(shè)計與分析，提高發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力。通過設(shè)置電源和負(fù)載的特性，可以分析Buck電路、Boost電路和雙向電路變換的特點(diǎn)；通過設(shè)置濾波電容的參數(shù)，可以觀察輸出電壓的穩(wěn)定性；通過改變PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)，可以分析輸出電壓調(diào)節(jié)的快速性和穩(wěn)定性；通過設(shè)置超級電容容值和初始電壓參數(shù)，可以分析輸入輸出電壓的變化關(guān)系以及超級電容器的電壓、容量要求；通過檢測功率器件的電壓電流值，可以提供器件選型的依據(jù)；通過設(shè)計先進(jìn)的控制策略，可以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.2 實(shí)驗平臺設(shè)計與實(shí)施

1）實(shí)驗平臺儀器

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺除了開發(fā)的控制器和雙向DC/DC變換器之外，實(shí)驗所需的儀器設(shè)備主要包括：超級電容器模組、充電機(jī)（為超級電容器模組預(yù)充電）、DSP28335仿真器以及帶有CCS仿真環(huán)境的計算機(jī)、數(shù)字示波器（測試電壓電流波形）、數(shù)字萬用表（電量監(jiān)測）、功率電阻/阻感負(fù)載、開關(guān)電源（控制器供電），如圖7所示。系統(tǒng)主電路元器件參數(shù)：超級電容器等效電容初始電壓為50 V；輸出給定電壓設(shè)為100 V；儲能電感L為80 μH；輸出濾波電容C為820 μF；開關(guān)器件選擇功率場效應(yīng)晶體管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor），型 號 為 IR?FP260。

圖7 基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺Fig.7 Experimental platform of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

2）實(shí)驗操作步驟

實(shí)驗操作步驟如下：超級電容器模組作為雙向DC/DC變換器的輸入，電阻負(fù)載作為雙向DC/DC變換器的輸出，DSP控制器作為雙向DC/DC變換器的控制單元，首先進(jìn)行線路連接，包括弱電的采樣與輸出控制以及強(qiáng)電的主電路單元；通過充電機(jī)為超級電容器模組預(yù)充電至工作電壓，控制器上電工作，輸出觸發(fā)脈沖控制雙向DC/DC變換器開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制策略；通過采樣校正、調(diào)整PI參數(shù)等環(huán)節(jié)達(dá)到預(yù)期控制目標(biāo)；通過示波器測試相關(guān)的電壓電流波形，觀察相關(guān)電量的過渡過程，記錄實(shí)驗波形和數(shù)據(jù)，分析實(shí)驗現(xiàn)象。

3）實(shí)驗結(jié)果分析

圖8為測試的電壓和電流實(shí)驗波形。圖8（a）中uo保持穩(wěn)定，但在開關(guān)頻率處有尖峰干擾，需進(jìn)一步處理；iL實(shí)驗波形與原理分析波形一致，驗證了電路原理和控制策略；iR運(yùn)行平穩(wěn)。圖8（b）中iC為超級電容器電流，iC＜0時為充電過程，反之為放電過程，實(shí)現(xiàn)了能量雙向流動，且動態(tài)過程變化迅速，uo在雙向DC/DC變換器投入工作后迅速穩(wěn)定在給定值。

圖8 實(shí)驗波形Fig.8 Experimental waveforms

2.3 平臺實(shí)踐項目設(shè)計與能力培養(yǎng)

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺能夠?qū)崿F(xiàn)多個實(shí)驗項目的開發(fā)設(shè)計，使學(xué)生得到多方面的訓(xùn)練，大幅提高學(xué)生的動手實(shí)踐能力和科研創(chuàng)新能力。

1）Buck與Boost電路實(shí)驗

電力電子技術(shù)課程中最基本的兩種DC/DC變換電路，通過該仿真與實(shí)驗平臺，學(xué)生對這兩種電路的工作原理與控制策略有更深層次的認(rèn)識；通過對實(shí)際電路中的儲能電感、濾波電容以及開關(guān)管等元器件的參數(shù)計算與選型，深刻認(rèn)識了工程實(shí)踐的特點(diǎn)，充分體現(xiàn)了理論聯(lián)系實(shí)際能力和動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。

2）超級電容器儲能實(shí)驗

通過超級電容器儲能的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、模組設(shè)計、容量計算和功能分析，并結(jié)合光伏發(fā)電等新能源技術(shù)的應(yīng)用，可以拓展學(xué)生的設(shè)計應(yīng)用思維，可以讓學(xué)生自行設(shè)計部分電路，用于大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實(shí)踐活動中，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力和科研分析能力。

3）電力仿真軟件PSIM應(yīng)用實(shí)驗

PSIM軟件是專用于電力電子技術(shù)的仿真軟件，其操作簡單實(shí)用、運(yùn)行速度較快。通過學(xué)習(xí)使用該軟件，對于提高學(xué)生的電路設(shè)計與分析能力，有很大的幫助。同時，讓學(xué)生從中學(xué)習(xí)和體會仿真電路和實(shí)驗電路的設(shè)計區(qū)別與聯(lián)系，逐步形成電路設(shè)計、原理分析、仿真建模、實(shí)驗驗證的工程設(shè)計流程，培養(yǎng)學(xué)生對工作和科研應(yīng)具有的認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。

4）DSP功能開發(fā)實(shí)驗

實(shí)驗平臺的控制器作為一個完整的控制系統(tǒng)，包含了I/O的基本操作、外部A/D轉(zhuǎn)換器的接口應(yīng)用、PWM的產(chǎn)生等，通過設(shè)計DSP28335的軟硬件系統(tǒng)，熟練掌握控制器的開發(fā)過程。在此基礎(chǔ)上，不斷精簡程序設(shè)計，提高DSP的工作效率，增強(qiáng)程序的可讀性，為后續(xù)的功能拓展留下鋪墊。這就需要不斷的調(diào)試練習(xí)，能夠培養(yǎng)學(xué)生不斷進(jìn)取、鍥而不舍的精神。

5）波形和數(shù)據(jù)的分析

在仿真和實(shí)驗過程中，通過修改參數(shù)，可以得到大量的實(shí)驗波形和實(shí)驗數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)這些波形和數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析存在的問題并找到解決方法，需要具有很強(qiáng)的分析能力。例如，圖7中出現(xiàn)的電壓尖峰，需要通過大量的分析、調(diào)試，最終解決問題。這要求學(xué)生熟練掌握系統(tǒng)原理和控制策略，認(rèn)真對比原理分析與仿真實(shí)驗結(jié)果的區(qū)別與聯(lián)系，從中找出問題所在，再有針對性的提出改進(jìn)措施。通過訓(xùn)練，學(xué)生可以不斷提升自己的分析能力，并能促進(jìn)創(chuàng)新思想的萌發(fā)。

3 結(jié)語

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實(shí)驗平臺的設(shè)計，加深了學(xué)生對電力電子電路的理解和認(rèn)識，促進(jìn)了學(xué)生應(yīng)用實(shí)踐能力和創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。通過系統(tǒng)主電路和控制電路的設(shè)計、搭建仿真系統(tǒng)、實(shí)驗系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計、軟件編程等一系列的訓(xùn)練，能夠有效促進(jìn)學(xué)生設(shè)計分析能力和仿真實(shí)踐能力的提升，并培養(yǎng)學(xué)生積極的工作科研精神。該平臺在多項校級教改項目的資助下，已在我校電氣工程及其自動化專業(yè)教育部“卓越工程師培養(yǎng)計劃”的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)中投入使用。