直流微电网双向Buck-Boost变换器控制模型的研究

时 颖 杭阿芳 田行璇 许海洋 龙文萱

（金陵科技学院 机电工程学院，南京 211169）

随着新能源技术的发展和人们对清洁可再生能源的开发，分布式光伏发电和储能等技术成为新能源的发展趋势[1]，促使微电网自给自足的发电方式不断更新发展。

本文研究含有分布式发电与储能元件的直流微电网，以电容作为主要元器件，设计电路参数和控制元件参数，通过仿真确定参数的可行性，得到电流与电压纹波小、精度高的双向Buck-Boost变换器。

1 双向Buck-Boost变换器的拓扑结构

DC-DC变换器是对直流电压参数进行变换的电力电子转换器[2]。在直流微电网下，分布式发电通过单向变换器和储能同时对负荷供电，而储能元件在一定条件下可作为负荷。本文通过对直流微电网的设计添加双向DC-DC变换器来实现储能的充放电。储能是为了补偿波动性电源及负荷的变化，从而提高微电网的可 靠性[3]。

双向DC-DC变换器是“一机两用”的设备[4]，相较单向变换器，可实现电压能量双向传输[5]，使系统减少功率器件使用量，降低损耗，提高效率，提升动态性能。

双向Buck-Boost变换器是在单向Buck-Boost变换器原功率MOS管上反并联二极管，在原二极管上反并联功率MOS管后构成，同时使两个功率MOS管互补导通，拓扑结构如图1所示。

该电路存在升压和降压两种工作方式。当电压从U1流向U2时，Q1导通、Q2截止，则工作在Buck模式下；当能量从U2流向U1时，Q2导通、Q1截止，则工作在Boost模式下。若变换器两侧都有电源，则能量流动方式取决于两个电源电压的大小。若U1＞U2，能量从U1流向U2；反之，从U2流向U1。

根据不同类型双向DC-DC变换器适用场合和拓扑结构进行对比，选调压范围较宽、拓扑结构简单、适用于小功率场合的双向Buck-Boost变换器[6]。

2 双向Buck-Boost变换器参数设计

本次设计的电路有两种工作模式，因此主电路要根据Buck电路与Boost电路两个方面进行设计，从而使设计的电路能够同时满足两个电路的要求[7]。通过SIMULINK建立实验模型，实验模型采用铅酸蓄电池作为储能装置，计算合适的变换器参数。电路主要设计参数，如表1所示。

表1 电路主要设计参数

2.1 电感参数的计算

电感作为双向DC-DC变换器的核心部分，在电路中一般是先充电再放电。根据公式计算电感的临界值，结合实际，选择大于计算结果的电感值。

Buck模式下的临界电感为：

式中：L1为Buck模式的临界电感；UH为电路高压侧电压，指Buck模式的输入电压；UL为电路低压侧电压，指Buck模式的输出电压；P1为Buck模式下的电路功率30 W。将数据代入式（1），得L1=12.7 μH。

Boost模式下的临界电感为：

式中：L2为Boost模式的临界电感；UH为电路高压侧电压，指Boost模式的输出电压；UL为电路低压侧电压，指Boost模式的输入电压；P2为Boost模式下的电路功率50 W。将数据代入式（2），得L1=9.375 μH。

根据实际情况并留有部分裕量，最终取L=80 μH。

2.2 电容参数的计算

Buck模式下的滤波电容为：

式中：Ts指开关周期；D为Buck模式时的占空比；∆U为母线电压的纹波。由于电路在工作时输出的电压纹波需小于0.5%，故∆U的取值应为12 V的0.5%，即0.06 V。将数据代入式（3），得C1=16.5 μH。

Boost模式下的滤波电容为：

式中：R为负载阻值；UH为电路中高压侧电压值；UL为电路中低压侧电压值。设定的Boost模式下的放电功率为50 W，根据，可得R=18 Ω。同样，电路设计的电压纹波应小于0.5%。由于Boost变换器的输出电压为25.5 V，故∆U=0.13 V。将相关数据代入式（4），得C2=50 μH。

3 双向Buck-Boost变换器的控制方案

该变换器的控制电路由脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）电路、电流内环控制电路和电压外环控制电路组成。本次设计采用双闭环控制方式，外环为电压控制，内环为电流控制。采用比例控制为闭环控制方式。

根据图2和图3双闭环双向Buck-Boost变换器，在不同模式下控制主电路完成仿真所需的双闭环设计。

（1）电路为Boost模式时，电压从右向左，控制直流母线的稳定，电池恒流放电。

（2）电路为Buck模式时，电压从左向右，电池恒压充电。

4 建模与仿真结果分析

仿真实验采用铅酸电池作为储能系统，蓄电池组选择内阻模型，优点是模型简单实用，较容易实现建模，但精度不高，本次实验可忽略。根据电路拓扑图完成仿真实验的模型图，需观察电池电压和电流、负荷电压的大小及放大图完成实验的要求，并在相应位置设置示波器测量数值，以便观察，从而达到相应的实验目的。

由于电路是实现升压和降压过程的双向变换电路，设计主电路时添加选择器。当[M]指向“1”时，电路为Buck模式；当[M]指向“2”时，电路为Boost 模式。

在SIMULINK中搭建仿真平台，对双向Buck-Boost变换器电路参数进行结果验证。图4和图5为搭建的主电路图。电源高压侧为25.5 V，低压侧为12.0 V，双向Buck-Boost变换器电容C1为20 μF，C2为50 μF，电感L取值为80 μH。对于比例控制参数，当电路处于Buck模式即向电池充电时，电压环参数Kp=5，电流环参数Kp=0.04；当电路处于Boost模式即向电池放电时，电压环参数Kp=1/20，电流环参数Kp=0.147，直流负载1功率为30 W，直流负载2功率为50 W；双向Buck-Boost变换器开关频率为100 kHz。

双向Buck-Boost变换器在Buck模式即向蓄电池充电时，电池电压大小的仿真曲线如图6所示，将其放大观察波动情况如图7所示。观察图6和图7，电路在Buck状态时充电电压响应速度快，因电容起到稳压作用，电压纹波很小，满足实际要求。

此时，电池电流大小如图8所示，放大观察波动情况如图9所示。观察图9可见，电流纹波很小，精度高。

双向Buck-Boost变换器在Boost模式即蓄电池供电时，蓄电池对负荷供电，直流电源处于断开状态。因此，只考虑负荷两端的电压电流是否符合精度要求。因负荷为阻性负荷，负荷两端电流与电压成正比，仅考虑负荷两端电压，此时负荷两端电压如图10所示，局部放大后如图11所示。

观察图10和图11，电路在Boost状态时，负荷两端电压响应速度快、精度高、电压纹波很小，符合实际需求。

5 结语

根据直流微电网的需求，设计关于双向Buck-Boost变换器的电路模型，并计算电路参数和双闭环的控制环节参数。通过仿真软件进行建模实现所需要求，根据仿真分析图得出仿真模型具有响应速度快、控制精度高、电流纹波小等优点，可满足实际需要。