光伏发电三端口DC-DC 变换器设计

杨川，余坤蓉，牟琪琦，石浩宏

（重庆机电职业技术大学，重庆璧山，402760）

光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能的一种技术。为提高光伏发电的可靠性、利用率和持续性，需要设计一个三端口DC-DC 变换器，在光伏充足时将多余电能给电池组充电和给负载功能，在光伏不充足时电池组同时放电给负载功能，达到始终稳定输出一定功率的目的。还需考虑最大能量传输和最大效率，在保证稳定输出的同时尽可能提高光伏利用率，即随时实现三端口的MPPT（最大功率点跟踪）。

1 总体方案设计

由于本系统涉及大量的数据处理，MCU采用STM32嵌入式控制芯片，用STM32可以让电路工作在最高频率72MHz，速度可达到1.25 dmips/MHz，利用STM32单片机可以从多个字节数快速流畅的访问到内存，并且不用等待周期，而且可以使两万的字节去访问SRAM。具有双采样和保持功能的功能[1]。

由于本设计涉及的电压较高，数据处理较为复杂，所以采用两个LM5117四象限同步整流制作双向DC-DC变换器。采用2个继电器用于模式切换，一路用于充电DC-DC模块给电池充电，另一路利用电池通过DC-DC给负载供电。控制基于电流上升模拟。电流调节具有输入电压、循环间电压限制和简化回路校正的固有功能。使用模拟控制阀可以降低脉宽调制开关对噪声的灵敏度，并允许可靠地控制高压应用所需的最小控制周期[2]。

设计两种工作模式，模式1由光伏给电池充电和稳定输出30V、1.5A，模式2光伏能量不足时由光伏和电池同时给输出供电，稳定输出30V、1.5A。系统总体方案如图1所示。

图1 双向DC—DC变换器系统图

2 核心电路设计

2.1 基于LT8705的四象限主DC-DC设计

LT8705是一种与同类产品而言功能更强大、性能更好的开关稳压控制器，此控制器工作时，由于采用了四象限开关技术，可以自动实现升压和降压模式无缝切换，保证输出端电压或电流稳定。将输入端的电流、电压和输出端的电流、电压组合形成集成反馈回路。其效率高达99%。本设计中用于末级稳定30V输出。

2.2 基于LM5117的双向DC-DC设计

LM5117是TI公司出品的一款高效率集成DC-DC控制器，LM5117是一种同步降压控制器，可作为有高压或不同输入电源的降压调节器使用。同时具有包括频率同步、间歇模式功率限制和可调低压锁定等功能。非常适合用于本系统的双向DC-DC设计。采用基于电流模式使用模拟电流量长度控制的控制方法。电流调节具有输入、循环间电压限制和简化的回路校正等作用。通过使用模拟控制阀来控制，可以降低噪声对脉宽调制开关的干扰，并允许可靠地控制高压应用所需的最小控制周期。实测设计的双向DC-DC电路最高效率可达98%[3]。

2.3 基 于LTC3780的辅助DC-DC设计

图2 基于LT8705的四象限主DC—DC设计

图3 基于LM5117的双向DC—DC设计

辅助电源为单片机和运算放大器、切换电路、采样电路等辅助电路供电。由于系统整体高效率的要求及光伏输入的不稳定性，采用LTC3780作为辅助DC-DC设计，LTC3780开关控制器是一种高效、同步的四个降压-升压型控制器，具有同步整流、效率高达98%、功率模式控制、输出电压保护、稳定输出的电压、驱动输入输出电流、具有良好的线性关系等等。作为辅助电源，如图4所示。

图4 基于LTC3780的辅助DC—DC设计

3 程序设计

3.1 主程序设计

通过采集当前实际电压U11与给定的设置电压相比较，若发现当前实际电压与设置电压不同，就利用PID算法改变当前单片机的输出电压,，使其向目标设置电压靠近。利用当前偏差值和历史偏差值总和，与最近两次偏差之差组成比例算法、积分算法、微分算法。用比例调整它实际电压趋近于设置电压，用积分算法消除系统的余差，用微分算法作超前调节的作用。并且通过PID实时调节当前实际电压值，减小误差，接近设置的电压值[4-5]。

通过对实际电压的采集，STM32单片机利用模数转换，将模拟量转化为数字量，使单片机将采集的当前实际电压与我们设置电压相比较。若当前实际电压小于设置电压，则通过PID算法对电压进行实时的增加，直至当前实际电压大于等于设置电压时停止；若当前实际电压大于设置电压，则通过PID算法对电压进行实时的减少，直至当前实际电压小于等于设置电压时停止。最后通过数模转换，将数字量变成模拟量，增加电压或减少电压，使当前实际电压最后等于设置电压。

3.2 PID算法设计

由PID控制程序框图，可以知道它的传输函数为：

但在程序中，我们只能在时域离散表达式之后编写算法。因此，将上述公式转换为时域表达式：

图5 程序工作流程图

我们需要在计算机中对该公式进行编程，而上述公式是一个连续时间表达式，因此我们只能将其离散化，推导出他的差分方程如下所示：

通过对PID算法的运用，将算法用于程序中：pid.En=pid.set-pid.curr（本次误差）；dk1=pid.En-pid.En_1（本次偏差与上次偏差之差）；dk2=pid.En-2＊pid.En_1+pid.En_2; t1=pid.Kp＊dk1;t2=(pid.Kp＊pid.Tsam)/pid.Ti;t2=t2＊pid.En;t3=(pid.Kp＊pid.Td)/pid.Tsam;t3=t3＊dk2; pid.Dout=t1+t2+t3（本次应该输出的增量）；pid.currpwm+=pid.Dout（本次应该输出的PWM）。通过输出的PWM的脉宽来调节电压输出的大小，从而精确调节电压的大小。

4 系统测试及测试结果

测试实验设备及仪器：六个新型数字万用表，一个可调直流开关稳压电源，一个可调直流电子负载。利用直流电源作为模拟光伏输入进行测试。

工作模式1中，当Us=50V、Io=1.2A时，输出电压始终稳定在30V±0.01V，IB的电流都是大于0.5A。证明实时在给电池充电。

工作模式1中，当Io=1.2A时，Us由45V增加至55V时，输出电压始终稳定在30V±0.01V，可以得出电压调整率Su≤0.5%，符合所需要求。

Io=1.2A时，模拟光伏降低，Us由55V减少至25V，输出电压始终稳定在30V±0.01V,变换器能够从模式Ⅰ自动转换到模式II，由表格测试数据可以得出，偏差≤0.1V,电压调整率Su≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，Us=50V、Io由1.2A减小至0.6A时，输出电压始终稳定在30V±0.01V，由以上试验数据中可以计算得到负载调整率为SI≤0.5%。

当Us=50V、Io由1.2A减小至0.6A时，输出电压始终稳定在30V±0.01V，变换器能够从模式II自动转换到模式Ⅰ,负载调整率SI≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，当Us=50V、Io=1.2A时，满足输出电压Uo=30V±0.01V，变换器效率≥96%。

在工作模式II，当Us=35V、Io=1.2A时，Us由55V减少至25V，始终满足输出电压Uo=30V±0.1V，变换器效率≥96%。

5 结束语

通过多次测试，本文设计的光伏发电三端口DC-DC 变换器实现了所需功能和要求。模拟光伏电池向负载供电的同时为电池组充电工作模式1，和模拟光伏电池和电池组同时为负载供电的工作模式2，可以根据Us的大小和负载情况，使变换器可以安全工作时进行模式I与模式II的自动无缝转换。在测试的全过程中，输出电压Uo也一直稳定保持在30V±0.1V，整机效率大于96%。