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

耿運(yùn)濤，鐘 陽(yáng)，李巧云

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

耿運(yùn)濤，鐘 陽(yáng)，李巧云

(邵陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南邵陽(yáng)422000)

針對(duì)直流微電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向變換時(shí)母線電壓不穩(wěn)定問(wèn)題，對(duì)用于直流微電網(wǎng)儲(chǔ)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(jì)。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(duì)硬件電路主要元器件的選型進(jìn)行了說(shuō)明。為實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路中系統(tǒng)母線電壓產(chǎn)生波動(dòng)時(shí)能迅速恢復(fù)到正常工作電壓狀態(tài)，制作了實(shí)物并進(jìn)行測(cè)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)合理的雙向DC-DC變換器硬件電路設(shè)計(jì)不僅可實(shí)現(xiàn)能量的雙向傳遞，且在系統(tǒng)母線電壓波動(dòng)時(shí)，實(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)的可靠性。

直流微電網(wǎng) DC-DC變換器 控制策略 儲(chǔ)能系統(tǒng)

0 前言

目前，風(fēng)能、太陽(yáng)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(dú)立可控的供電系統(tǒng)，由儲(chǔ)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(wú)需考慮頻率穩(wěn)定、無(wú)功調(diào)節(jié)、交流損耗等問(wèn)題，便于接入新能源、電動(dòng)汽車(chē)等設(shè)備，可用于數(shù)據(jù)中心、住宅小區(qū)等場(chǎng)合[1]。在直流微電網(wǎng)中，儲(chǔ)能系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它的合理設(shè)計(jì)可以?xún)?yōu)化微電源運(yùn)行，而雙向 DC-DC變換器則是儲(chǔ)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(gè)關(guān)鍵部分，這關(guān)系到儲(chǔ)能單元的能量雙向流動(dòng)，通過(guò)控制雙向 DC-DC變換器進(jìn)而控制儲(chǔ)能系統(tǒng)使微電網(wǎng)整體電壓穩(wěn)定，滿(mǎn)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(jì)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(jiǎn)單，控制方便。論文選擇無(wú)變壓器非隔離型變換器作為主要研究對(duì)象，選用電壓型控制方法對(duì)該變換器進(jìn)行控制，但此方法不能實(shí)現(xiàn)輸出電流的精確控制。

論文對(duì)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(jì)，并制作了實(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，雙向DC-DC變換器具有充電和放電兩種工作模式。測(cè)試結(jié)果表明：在充電工作模式下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池（儲(chǔ)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(shí)，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(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)切換充放電模式功能。將論文設(shè)計(jì)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(chǔ)能系統(tǒng)和直流母線之間的能量雙向流動(dòng)，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(dòng)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(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)，控制降壓主電路開(kāi)始工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能裝置的充電；當(dāng)母線電壓出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，控制器發(fā)出控制信號(hào)使升壓主電路開(kāi)始工作，該電壓加至母線上以維持電壓恒定，通過(guò)控制升降壓電路交替工作，繼而實(shí)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(kāi)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(guò)控制VT1的開(kāi)關(guān)，實(shí)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(duì)輸入的直流電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換，成為脈沖電壓，再通過(guò)對(duì)該脈沖電壓進(jìn)行LC濾波，使之成為脈動(dòng)小、穩(wěn)定的直流電壓。在該電路中，其輸入電壓Uin是沒(méi)有經(jīng)過(guò)濾波進(jìn)行穩(wěn)定穩(wěn)壓的直流電壓；晶體VT1為整個(gè)電路中的調(diào)整管（開(kāi)關(guān)管），該開(kāi)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(shí)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(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)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(hào)需經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后方可控制后續(xù)電路進(jìn)行相應(yīng)動(dòng)作。在本系統(tǒng)中STM32的I/O口不能直接驅(qū)動(dòng)MOS管，只有引入MOS管驅(qū)動(dòng)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(hào)輸入及輸出，有著柵極驅(qū)動(dòng)及高壓高速功率驅(qū)動(dòng)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(lèi)技術(shù)大大完善了邏輯電路對(duì)功率器件的控制要求，更提高了驅(qū)動(dòng)電路對(duì)系統(tǒng)的可靠性。由IR2101組成的驅(qū)動(dòng)電路安全可靠，保證MOS管的可靠通斷由IR2101作為驅(qū)動(dòng)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(jì)算

1）電感的選?。弘姼蠰起儲(chǔ)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(chǔ)能的作用，電容的選取既要滿(mǎn)足濾波又要滿(mǎn)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(shí)際考慮，在5000mF～10000mF中選取。

3）開(kāi)關(guān)管的選擇：開(kāi)關(guān)管要求有較高的開(kāi)關(guān)速度，較高的擊穿電壓，同時(shí)又要滿(mǎn)足輸出電路的要求，本設(shè)計(jì)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(kāi)關(guān)管上升時(shí)間為39 ns，滿(mǎn)足系統(tǒng)電路要求。

2.2 降壓電路主要元器件參數(shù)計(jì)算

1）電感線圈：電感L起儲(chǔ)能作用，根據(jù)電力電子技術(shù)：

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

故可選用最大過(guò)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(chǔ)能穩(wěn)壓的作用，其大小可通過(guò)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(shí)，可算得濾波電容為84.4mF，可選用470mF～1000mF的鋁電解電容。

3）開(kāi)關(guān)管的選擇：開(kāi)關(guān)管的選擇與升壓電路一樣，本設(shè)計(jì)選用IRF9540N。

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 測(cè)試儀器及方案

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

圖5 測(cè)試方框圖

圖6 雙向DC—DC變換器實(shí)物測(cè)試波形圖

3.2 實(shí)物測(cè)試

設(shè)定系統(tǒng)母線電壓為30 V，電路正常工作時(shí)，母線電壓恒定，給負(fù)載穩(wěn)定供電，且降壓主電路開(kāi)始工作，將母線電壓降至儲(chǔ)能裝置額定電壓進(jìn)行充電；當(dāng)母線電壓低于30 V時(shí)，升壓主電路開(kāi)始工作，將儲(chǔ)能裝置電壓升至30 V供給母線，同時(shí)給負(fù)載供電，確保母線電壓恒定于30 V。實(shí)物測(cè)試波形圖如6所示，測(cè)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(shí)母線電壓不穩(wěn)定問(wèn)題進(jìn)行研究，通過(guò)實(shí)物測(cè)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(dòng)切換；工作在充電模式時(shí)，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(shí)，能切斷充電；工作在充電模式時(shí)，變換器的效率大于95%，在系統(tǒng)供電電壓發(fā)生變化時(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)切換工作模式。可有效解決直流微電網(wǎng)進(jìn)行能量雙向變換時(shí)母線電壓不穩(wěn)定問(wèn)題。

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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(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)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)。