姜 斌，曹永成，劉彤軍，李乃川，孫鐵成

（1.黑龍江東方學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150066；2.黑龍江省科學(xué)院智能制造研究所，黑龍江 哈爾濱 150090；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150006）

隨著人們對(duì)能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題的重視和新能源汽車充電系統(tǒng)等直流負(fù)荷需求的增多，新能源分布式發(fā)電因污染小、可再生等優(yōu)點(diǎn)而獲得發(fā)展和推廣，微電網(wǎng)作為實(shí)現(xiàn)分布式電源接入電網(wǎng)的重要形式而被研究和發(fā)展[1-2]。微電網(wǎng)系統(tǒng)是將分布式能源、儲(chǔ)能裝置、直流負(fù)荷、監(jiān)控和保護(hù)等結(jié)合組成的小型發(fā)配電系統(tǒng)，因其自身在系統(tǒng)穩(wěn)定性、資源的節(jié)約和可持續(xù)發(fā)展等方面的優(yōu)勢(shì)而獲得越來(lái)越多的研究和應(yīng)用[3]。在微電網(wǎng)中，新能源發(fā)電經(jīng)由母線傳送給負(fù)載，新能源發(fā)電的特點(diǎn)和負(fù)載的需求變化都需要通過(guò)電力變換和儲(chǔ)能裝置實(shí)現(xiàn)其“削峰填谷”的重要作用[4]?？紤]本次設(shè)計(jì)的應(yīng)用需求和隔離型與非隔離型雙向直流-直流（DC-DC）變換器的特點(diǎn)，電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選用非隔離型的雙向Buck-Boost變換器[5]。同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)條件，將微電網(wǎng)中電壓等參數(shù)縮放進(jìn)行分析研究，并對(duì)電路中參數(shù)和控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)體積小、重量輕、穩(wěn)定性較好等系統(tǒng)要求，為微電網(wǎng)中雙向DC-DC變換器的設(shè)計(jì)和研究提供參考。

1 雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和參數(shù)設(shè)計(jì)

微電網(wǎng)中的分布式發(fā)電裝置大多是利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源，當(dāng)環(huán)境等因素不穩(wěn)定時(shí)，微電網(wǎng)中儲(chǔ)能裝置通過(guò)雙向DC-DC變換器為負(fù)荷供電，而當(dāng)環(huán)境條件較穩(wěn)定時(shí)，則分布式發(fā)電裝置為負(fù)荷供電，也為儲(chǔ)能裝置充電[6]。采用鋰電池作為直流微電網(wǎng)的儲(chǔ)能支路，雙向DC-DC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，是微電網(wǎng)中非常重要的一環(huán)，對(duì)其能量產(chǎn)生系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量?jī)?yōu)化、穩(wěn)定輸出起到優(yōu)化的作用。圖1為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)框圖。

圖1 直流微電網(wǎng)系統(tǒng)框圖

1.1 雙向DC-DC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

根據(jù)雙向DC-DC變換器不同類型和結(jié)構(gòu)的對(duì)比，選用元器件較少、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、容易控制、可靠性高的雙向Buck-Boost變換器作為電路的主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，見(jiàn)第69頁(yè)圖2。金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）V1和V2為互補(bǔ)的工作方式，從U2到U1工作在降壓模式，V2關(guān)斷，V1由脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號(hào)控制通斷；從U1到U2工作在升壓模式，V1關(guān)斷，V2由PWM信號(hào)控制通斷。

圖2 雙向Buck-Boost DC-DC變換器主電路拓?fù)鋱D

1.2 雙向Buck-Boost DC-DC變換器的參數(shù)設(shè)計(jì)

以光伏發(fā)電的直流微電網(wǎng)為研究對(duì)象，1塊光伏板的發(fā)電電壓為36 V左右，10塊光伏板串聯(lián)電壓為360 V，雙向Buck-Boost DC-DC變換器低壓側(cè)為216 V[6]，考慮實(shí)驗(yàn)條件，把它們等比例縮放為高壓側(cè)30 V，低壓側(cè)18.5 V。設(shè)計(jì)的雙向Buck-Boost DC-DC變換器，儲(chǔ)能裝置U1選用5節(jié)18650型鋰離子電池串聯(lián)，它的單節(jié)標(biāo)稱電壓為3.6 V或3.7 V，充電電壓一般為4.2 V，U2為24～36 V，采用MOSFET作為開(kāi)關(guān)管，減小導(dǎo)通損耗、整流損耗，在同樣條件下，N溝道的MOSFET通態(tài)電阻小，綜合考慮最大承受電壓、最大工作電流、開(kāi)通時(shí)間、關(guān)斷時(shí)間等因素，選用型號(hào)為CSD19536KCS的開(kāi)關(guān)管作為該電路功率元器件[7]。

1.2.1 電感L的設(shè)計(jì)

當(dāng)Buck電路工作在連續(xù)電流狀態(tài)下時(shí)，電感L的計(jì)算公式為

將UH=36 V，UL=18.5 V，Io=2 A，開(kāi)關(guān)頻率f=20 kHz代入式（1），計(jì)算得電感L=1.125 mH。同理，將其帶入Boost電路的電感L計(jì)算公式

中成立，同時(shí)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)留有1.2倍的裕量，選取L=1.5 mH。

1.2.2 電容C的設(shè)計(jì)

在電容C的設(shè)計(jì)中要考慮成本和實(shí)際情況，一般電容根據(jù)紋波電壓大小設(shè)計(jì)。電容C1的公式為

式中：Dmax1為最大占空比，取18.5/24；ΔU≤1 V，因?yàn)殡娐饭ぷ鲿r(shí)輸出電壓紋波期望小于0.5%，所以ΔU的取值為18.5 V的0.5%，即0.092 5 V。經(jīng)過(guò)計(jì)算得電容C1為10μF。

在Boost電路中，電容C2的公式為

式中：Dmax2為最大占空比，取（30.5-18.5）/30.5；ΔU≤1 V，因?yàn)殡娐饭ぷ鲿r(shí)輸出電壓紋波期望小于0.5%，所以ΔU的取值為30.5 V的0.5%，即0.152 5 V。經(jīng)過(guò)計(jì)算得電容C2=2.55 mF，取為2.7 mF。

2 雙向DC-DC變換器的建模

從前面的設(shè)定和計(jì)算可得到雙向DC-DC變換器的建模實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：電源電壓U2=30 V±0.5 V；電感L=1.5 mH；電容C1=10μF；電容C2=2.7 mF；電池電壓U1=18.5 V；電池內(nèi)阻r=0.01Ω；開(kāi)關(guān)頻率f=20 kHz。

控制器的設(shè)計(jì)是雙向DC-DC變換器最為重要的一部分，直接關(guān)系到輸出量是否能夠按照預(yù)期保持為設(shè)計(jì)要求的恒定值，這就要求將輸出量經(jīng)過(guò)反饋后與給定量進(jìn)行比較，把比較后的差值按照一定的控制策略施加相應(yīng)的控制作用，而用比例積分控制是控制系統(tǒng)和實(shí)際工程中應(yīng)用最廣泛的一種方法[8]?？刂齐娐返慕Y(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3，它由PWM信號(hào)的產(chǎn)生電路、電流控制電路和電壓控制電路組成。

圖3 雙閉環(huán)雙向Buck-B oo s t DC-DC變換器控制電路結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)采用電壓電流雙閉環(huán)的控制方式，外環(huán)是電壓控制環(huán)，內(nèi)環(huán)是電流控制環(huán)，分別用以調(diào)節(jié)輸出電壓跟隨給定和使得電流輸出能夠快速地跟隨輸入變化而變化，其控制原理圖見(jiàn)圖4。因?yàn)楸壤刂颇芸焖俚胤磻?yīng)誤差，而積分控制將系統(tǒng)存在的誤差不斷累積，對(duì)輸出量誤差進(jìn)行消除，所以內(nèi)環(huán)采用比例控制，滿足系統(tǒng)的電流跟隨快速性的要求，外環(huán)采用比例積分控制，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[9-10]。

圖4 雙閉環(huán)雙向Buck-B oo s t DC-DC變換器控制原理圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果

在Matlab/Simulink中搭建仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)雙向Buck-Boost DC-DC變換器的電路參數(shù)和電壓、電流雙閉環(huán)控制環(huán)節(jié)的效果進(jìn)行驗(yàn)證。

1）當(dāng)US=34 V時(shí)，波形由上至下分別為RL兩端的電壓URL和電流I2的波形，此時(shí)I2=-0.4 A＜0，說(shuō)明儲(chǔ)能裝置電池組工作在放電狀態(tài)，電路工作在Boost狀態(tài)。圖5為雙閉環(huán)雙向Buck-Boost DC-DC變換器US=34 V的仿真波形圖。

圖5 雙閉環(huán)雙向Buck-Boost DC-DC變換器U S=34 V的仿真波形圖

2）當(dāng)US=40 V時(shí)，需將“Relational Operation”調(diào)整為“＜=”，波形由上至下分別為RL兩端的電壓URL和電流I2的波形，此時(shí)儲(chǔ)能裝置電池組工作在充電狀態(tài)，電路工作在Buck狀態(tài)。圖6為雙閉環(huán)雙向Buck-Boost DC-DC變換器US=40 V的仿真波形圖。

圖6 雙閉環(huán)雙向Buck-Boost DC-DC變換器U S=40 V的仿真波形圖

4 結(jié)論

根據(jù)直流微電網(wǎng)的需求設(shè)計(jì)雙向Buck-Boost DC-DC變換器，并根據(jù)實(shí)際的參數(shù)需求和實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行比例縮放，設(shè)計(jì)了電路參數(shù)和電壓、電流雙閉環(huán)的控制環(huán)節(jié)參數(shù)。通過(guò)仿真建模，可以實(shí)現(xiàn)雙向變換器的穩(wěn)定輸出，符合參數(shù)設(shè)計(jì)的功能要求，仿真結(jié)果具有較高的精度，具有響應(yīng)速度快、控制精度高等特點(diǎn)，滿足了實(shí)際應(yīng)用的性能需求，可為直流微電網(wǎng)的穩(wěn)定工作提供必要的技術(shù)支持。