基于MATLAB的蓄电池DC-DC变换器仿真研究

2018-06-28刘冬辉

机电信息 2018年18期

刘冬辉王楠田赟

（北方民族大学电气信息工程学院，宁夏银川750021）

0 引言

近年来世界经济不断发展，能源需求增大，市场上风光发电系统的应用层次逐渐提高，世界各地更加注重对风光发电系统的深入研究。风光互补发电系统由光伏发电装置[1]、风电装置等分布式电源与蓄电池储能装置等组成，储能装置主要用于储存电能及逆变器的供电。风光发电系统储能装置在长期运行中蓄电池经常受过充或过放影响，致使其内部受损，储能效率下降。现如今，研究蓄电池储能、放能控制成为风光发电系统规模化发展的热门话题。

DC-DC变换在蓄电池储能中应用广泛，利用DC-DC变换器可将输入纹波系数较小的直流电转化为适合蓄电池充电的直流电压，通过加入PI控制器反馈调节系统调节PWM波占空比，实现先恒流后恒压的蓄电池充电过程和恒压放电过程，提高蓄电池充放电效率和运行稳定性，防止蓄电池过度充电、过度放电和二次充电。

1 储能装置充放电控制分析

DC-DC变换器模型基于斩波电路搭建，采用脉冲宽度调制方式控制，维持晶闸管开关周期恒定，通过调节PWM占空比α改变电路输出端电压，控制蓄电池电信号动态输出。

1.1 DC-DC变换器模型

DC-DC变换器电路主要由蓄电池充电电路、放电电路和检测保护电路三部分组成，其模型如图1所示。蓄电池充电电路主体由BUCK拓扑电路和PI控制器闭环反馈电路组成，通过控制蓄电池充电电路先恒流输出并逐渐升高电压，待电压达到预期值，控制输出电压电流恒定，保持恒压恒流充电。放电电路主体由BOOST拓扑电路和PID控制器闭环反馈电路组成，通过反馈控制电路控制蓄电池输出电压保持恒定，降低输出直流电的纹波系数。

图1 DC-DC变换器模型

1.1.1 蓄电池充电控制模型

蓄电池充电控制模型如图2所示，Buck拓扑电路[2]通过控制PWM占空比α使输入端向蓄电池供电，检测电路采集输出电压值Uout1与期望电压值U0作差，利用PI调节与Buck电路输出电流值作差，再通过PI调节反馈到MCU改变PWM波信号占空比α，从而构成闭环反馈系统。

图2 蓄电池充电控制模型

1.1.2 蓄电池放电控制模型

蓄电池放电控制模型如图3所示，Boost拓扑电路[2]通过PWM波控制晶闸管的导通关断结合电感、电容充放电向负载供电。由检测电路采集输出电压值Uout2与设定电压值U1作差，利用PID调节反馈到PWM波占空比α控制端，构成恒压输出控制系统。

图3 蓄电池放电控制模型

1.2 蓄电池充放电控制原理

蓄电池充电方式一般为恒压充电，为防止蓄电池亏电严重时充电电流过大损坏电池，在蓄电池充电控制电路中引入电流电压闭环控制系统，控制充电电流先以恒定值输出，后逐渐降低直至电压稳定。蓄电池放电过程采用恒压放电，初始电压偏高，随着时间变化输出电压逐渐降低，为提高蓄电池供电效率和供电稳定性，在此基础上加入放电闭环控制系统，将输出电压作为受控对象，经过PID控制器调节反馈到放电电路控制端，保持输出电压恒定。

1.2.1 蓄电池充电控制原理

蓄电池充电控制主要通过控制输入蓄电池的电压、电流信号完成。由充电电压值与期望电压值作差，经PI控制器调节限幅，作为输入信号与充电电流值作差，经响应速度更快的PI控制器调节后作为控制信号接入充电电路控制端，构成先恒流充电后恒压恒流充电的控制过程。

1.2.2 蓄电池放电控制原理

蓄电池放电过程通过将输出电压Uout2反馈到输入端作为输入值，经限幅与预期电压值作差，调节PID中比例放大系数Kp、积分放大系数Ki和微分放大系数Kd三个系数控制PWM波输出占空比α，进而由Boost电路控制蓄电池输出电压值Uout2，使蓄电池放电电压保持恒定。