直流微电网储能系统双向DC-DC控制器硬件电路设计

2017-10-13耿运涛李巧云

船电技术 2017年7期

耿运涛，钟阳，李巧云

耿运涛，钟阳，李巧云

(邵阳职业技术学院，湖南邵阳422000)

针对直流微电网进行能量双向变换时母线电压不稳定问题，对用于直流微电网储能系统中双向DC-DC变换器的硬件电路进行研究与设计。详细介绍了双向DC-DC变换器的工作原理及硬件电路构成，并对硬件电路主要元器件的选型进行了说明。为实现实际电路中系统母线电压产生波动时能迅速恢复到正常工作电压状态，制作了实物并进行测验。实验结果表明，通过合理的双向DC-DC变换器硬件电路设计不仅可实现能量的双向传递，且在系统母线电压波动时，实现DC-DC变换器精确控制可确保直流母线电压稳定，提高直流微电网储能系统的可靠性。

直流微电网 DC-DC变换器控制策略储能系统

0 前言

目前，风能、太阳能等大量新能源的使用，使微电网的使用得到了极大的重视。微电网是目前发展迅速且独立可控的供电系统，由储能系统、微型电源、能量转换装置和负载等组成。在微电网中，直流微电网由于其无需考虑频率稳定、无功调节、交流损耗等问题，便于接入新能源、电动汽车等设备，可用于数据中心、住宅小区等场合[1]。在直流微电网中，储能系统是至关重要的，它的合理设计可以优化微电源运行，而双向 DC-DC变换器则是储能系统的控制核心。在微电网电压稳定性研究中，双向DC-DC变换器硬件电路及其控制方式研究是一个关键部分，这关系到储能单元的能量双向流动，通过控制双向 DC-DC变换器进而控制储能系统使微电网整体电压稳定，满足微电网的运行条件[2,3]。

在双向DC-DC 变换器硬件电路研究与设计中，它根据是否包含有变压器，可划分为隔离型和非隔离型。非隔离型的变换器，其拓扑结构简单，控制方便。论文选择无变压器非隔离型变换器作为主要研究对象，选用电压型控制方法对该变换器进行控制，但此方法不能实现输出电流的精确控制。

论文对非隔离型双向DC-DC变换器硬件电路工作原理进行了介绍，完成了元器件参数的设计，并制作了实物。在模拟设定直流微电网母线电压为30V及采用蓄电池作为储能系统时，双向DC-DC变换器具有充电和放电两种工作模式。测试结果表明：在充电工作模式下，实现对电池（储能系统）恒流充电，电池充电电流控制精度小于6％，步进值为0.05 A，电流变化率不大于1％，变换器的效率大于91％，当充电电压大于设定阀值时，停止充电；在放电模式下，变换器效率大于96％。在电源端电压发生变化时，系统具有自动切换充放电模式功能。将论文设计的双向DC-DC变换器投入直流微电网中使用，可灵活的完成储能系统和直流母线之间的能量双向流动，确保母线电压稳定。

1 双向DC-DC变换器系统组成

1.1 系统结构

系统以STM32单片机为控制核心，由降压电路、升压电路、驱动电路及辅助电路等部分组成，组成框如图1所示。

图1 双向DC-DC变换器的组成拓扑图

图1中，当母线电压稳定时，控制器发出控制信号，控制降压主电路开始工作，实现对储能装置的充电；当母线电压出现波动时，控制器发出控制信号使升压主电路开始工作，该电压加至母线上以维持电压恒定，通过控制升降压电路交替工作，继而实现母线电压的平衡。

1.2 升压电路的拓扑结构

升压电路拓扑结构如图2所示。该电路主要由电感L1串联开关管VT1及整流二极管，再并联VD1滤波电容C1组成[7]，通过控制VT1的开关，实现DC—DC升压功能，即输入直流电压低于输出直流电压。

图2 升压变电路拓扑结构图

1.3 降压电路的拓扑结构

降压电路的拓扑结构如图3所示。

图3 降压电路的拓扑结构图

降压型（Buck）变换电路对输入的直流电压进行转换，成为脉冲电压，再通过对该脉冲电压进行LC滤波，使之成为脉动小、稳定的直流电压。在该电路中，其输入电压Uin是没有经过滤波进行稳定稳压的直流电压；晶体VT1为整个电路中的调整管（开关管），该开关管UB由PWM波控制其通断状态，与后续电路结合，实现降压功能；该电路中由电感线圈L与大电容C组成典型的滤波电路，VD1为电路中的续流二极管，起着续流作用。

1.4 大功率开关管驱动电路

驱动模块是系统主控芯片与执行电路之间的联系途径，即主控芯片发出的控制信号需经驱动电路后方可控制后续电路进行相应动作。在本系统中STM32的I/O口不能直接驱动MOS管，只有引入MOS管驱动电路后方能使系统正常工作。IR2101芯片的主要功能是它具有双通道信号输入及输出，有着栅极驱动及高压高速功率驱动器，该芯片采用的是功能高度集成在一起的电平转换技术，该类技术大大完善了逻辑电路对功率器件的控制要求，更提高了驱动电路对系统的可靠性。由IR2101组成的驱动电路安全可靠，保证MOS管的可靠通断由IR2101作为驱动电路的主控部件，电路如图4所示。

2 器件选型

2.1 升压电路主要元器件参数计算

1）电感的选取：电感L起储能作用，根据电力电子技术：

其中为PWM波的频率，为纹波电流，为输出电压，为PWM波的占空比，经综合考虑，取500 mH。

2）滤波电容的选取：该电容的主要功能是起滤波及储能的作用，电容的选取既要满足滤波又要满足输出电压维持的要求，根据电力电子技术，为：

其中：为输出功率，为输出电压最大值，为输出电压最小值。

综合实际考虑，在5000mF～10000mF中选取。

3）开关管的选择：开关管要求有较高的开关速度，较高的击穿电压，同时又要满足输出电路的要求，本设计的PWM波的频率为20 kHz，输出电流在1～2 A，综合考滤选用：IRF540 IRF540的主要技术参数：击穿电压最高可到100 V，最大电流=23 A，导通电阻很小，开关管上升时间为39 ns，满足系统电路要求。

2.2 降压电路主要元器件参数计算

1）电感线圈：电感L起储能作用，根据电力电子技术：

当负载R为10 Ω，开关频率f选10 kHz，占空比α取最小值10%时，最小电感值：=450mH。

故可选用最大过电流为3 A的500mH的环形电感。

2）滤波电容：滤波电容有抑制输出纹波和储能稳压的作用，其大小可通过公式

当纹波电压ΔU取0.4 V，U取最大值15 V，取最小值10%，取500mH，f取10 kHz时，可算得滤波电容为84.4mF，可选用470mF～1000mF的铝电解电容。

3）开关管的选择：开关管的选择与升压电路一样，本设计选用IRF9540N。

3 系统测试

3.1 测试仪器及方案

系统测试选用电流表、电压表、数字储存示波器，数字万用表等仪器设备，测试方案如图5所示：

图5 测试方框图

图6 双向DC—DC变换器实物测试波形图

3.2 实物测试

设定系统母线电压为30 V，电路正常工作时，母线电压恒定，给负载稳定供电，且降压主电路开始工作，将母线电压降至储能装置额定电压进行充电；当母线电压低于30 V时，升压主电路开始工作，将储能装置电压升至30 V供给母线，同时给负载供电，确保母线电压恒定于30 V。实物测试波形图如6所示，测试结果如表1所示：

4 结论

论文给出了双向DC-DC变换器硬件电路的工作原理及主要元器件的选型，并就直流微电网进行能量双向变换时母线电压不稳定问题进行研究，通过实物测试结果表明：系统既能工作在充电模式，也能工作在放电模式，且能根据要求进行自动切换；工作在充电模式时，电流控制精度不低于5%，充电电流的变化率不大于1%，工作效率大于90%，当充电电压达到母线电压时，能切断充电；工作在充电模式时，变换器的效率大于95%，在系统供电电压发生变化时，系统能自动切换工作模式。可有效解决直流微电网进行能量双向变换时母线电压不稳定问题。

[1] 张卫平等. 绿色电源—现代电能变换技术及应用[M].科学出版社，2001.

[2] 童亦斌，吴峂，金新民，等．双向 DC/DC 变换器的拓扑研究[J].中国电机工程学报，2007，27( 13) : 82-86．

[3] 刘海波，毛承雄，陆继明，等．电子电力变压器储能系统及其最优控制[J]. 电工技术学报，2010，26( 12) : 54-60．

[4] 梁永春，许丽川，严仰光．一种双闭环控制隔离 Boost 变换器起动控制策略[J]. 中国电机工程学报，2010, 30( 17) :15-20．

[5] 王兆安, 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京:机械工业出版社, 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

1003-4862（2017）07-0044-04

2017-03-15

湖南省2017年省教育厅科学研究项目（项目编号17C1468）