直流微電網儲能系統雙向DC-DC控制器硬件電路設計

耿運濤，鐘 陽，李巧云

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直流微電網儲能系統雙向DC-DC控制器硬件電路設計

耿運濤，鐘 陽，李巧云

(邵陽職業技術學院，湖南邵陽422000)

針對直流微電網進行能量雙向變換時母線電壓不穩定問題，對用于直流微電網儲能系統中雙向DC-DC變換器的硬件電路進行研究與設計。詳細介紹了雙向DC-DC變換器的工作原理及硬件電路構成，并對硬件電路主要元器件的選型進行了說明。為實現實際電路中系統母線電壓產生波動時能迅速恢復到正常工作電壓狀態，制作了實物并進行測驗。實驗結果表明，通過合理的雙向DC-DC變換器硬件電路設計不僅可實現能量的雙向傳遞，且在系統母線電壓波動時，實現DC-DC變換器精確控制可確保直流母線電壓穩定，提高直流微電網儲能系統的可靠性。

直流微電網 DC-DC變換器 控制策略 儲能系統

0 前言

目前，風能、太陽能等大量新能源的使用，使微電網的使用得到了極大的重視。微電網是目前發展迅速且獨立可控的供電系統，由儲能系統、微型電源、能量轉換裝置和負載等組成。在微電網中，直流微電網由于其無需考慮頻率穩定、無功調節、交流損耗等問題，便于接入新能源、電動汽車等設備，可用于數據中心、住宅小區等場合[1]。在直流微電網中，儲能系統是至關重要的，它的合理設計可以優化微電源運行，而雙向 DC-DC變換器則是儲能系統的控制核心。在微電網電壓穩定性研究中，雙向DC-DC變換器硬件電路及其控制方式研究是一個關鍵部分，這關系到儲能單元的能量雙向流動，通過控制雙向 DC-DC變換器進而控制儲能系統使微電網整體電壓穩定，滿足微電網的運行條件[2,3]。

在雙向DC-DC 變換器硬件電路研究與設計中，它根據是否包含有變壓器，可劃分為隔離型和非隔離型。非隔離型的變換器，其拓撲結構簡單，控制方便。論文選擇無變壓器非隔離型變換器作為主要研究對象，選用電壓型控制方法對該變換器進行控制，但此方法不能實現輸出電流的精確控制。

論文對非隔離型雙向DC-DC變換器硬件電路工作原理進行了介紹，完成了元器件參數的設計，并制作了實物。在模擬設定直流微電網母線電壓為30V及采用蓄電池作為儲能系統時，雙向DC-DC變換器具有充電和放電兩種工作模式。測試結果表明：在充電工作模式下，實現對電池（儲能系統）恒流充電，電池充電電流控制精度小于6％，步進值為0.05 A，電流變化率不大于1％，變換器的效率大于91％，當充電電壓大于設定閥值時，停止充電；在放電模式下，變換器效率大于96％。在電源端電壓發生變化時，系統具有自動切換充放電模式功能。將論文設計的雙向DC-DC變換器投入直流微電網中使用，可靈活的完成儲能系統和直流母線之間的能量雙向流動，確保母線電壓穩定。

1 雙向DC-DC變換器系統組成

1.1 系統結構

系統以STM32單片機為控制核心，由降壓電路、升壓電路、驅動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變換器的組成拓撲圖

圖1中，當母線電壓穩定時，控制器發出控制信號，控制降壓主電路開始工作，實現對儲能裝置的充電；當母線電壓出現波動時，控制器發出控制信號使升壓主電路開始工作，該電壓加至母線上以維持電壓恒定，通過控制升降壓電路交替工作，繼而實現母線電壓的平衡。

1.2 升壓電路的拓撲結構

升壓電路拓撲結構如圖2所示。該電路主要由電感L1串聯開關管VT1及整流二極管，再并聯VD1濾波電容C1組成[7]，通過控制VT1的開關，實現DC—DC升壓功能，即輸入直流電壓低于輸出直流電壓。

圖2 升壓變電路拓撲結構圖

1.3 降壓電路的拓撲結構

降壓電路的拓撲結構如圖3所示。

圖3 降壓電路的拓撲結構圖

降壓型（Buck）變換電路對輸入的直流電壓進行轉換，成為脈沖電壓，再通過對該脈沖電壓進行LC濾波，使之成為脈動小、穩定的直流電壓。在該電路中，其輸入電壓Uin是沒有經過濾波進行穩定穩壓的直流電壓；晶體VT1為整個電路中的調整管（開關管），該開關管UB由PWM波控制其通斷狀態，與后續電路結合，實現降壓功能；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為電路中的續流二極管，起著續流作用。

1.4 大功率開關管驅動電路

驅動模塊是系統主控芯片與執行電路之間的聯系途徑，即主控芯片發出的控制信號需經驅動電路后方可控制后續電路進行相應動作。在本系統中STM32的I/O口不能直接驅動MOS管，只有引入MOS管驅動電路后方能使系統正常工作。IR2101芯片的主要功能是它具有雙通道信號輸入及輸出，有著柵極驅動及高壓高速功率驅動器，該芯片采用的是功能高度集成在一起的電平轉換技術，該類技術大大完善了邏輯電路對功率器件的控制要求，更提高了驅動電路對系統的可靠性。由IR2101組成的驅動電路安全可靠，保證MOS管的可靠通斷由IR2101作為驅動電路的主控部件，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計算

1）電感的選?。弘姼蠰起儲能作用，根據電力電子技術：

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波及儲能的作用，電容的選取既要滿足濾波又要滿足輸出電壓維持的要求，根據電力電子技術，為：

其中：為輸出功率，為輸出電壓最大值，為輸出電壓最小值。

綜合實際考慮，在5000mF～10000mF中選取。

3）開關管的選擇：開關管要求有較高的開關速度，較高的擊穿電壓，同時又要滿足輸出電路的要求，本設計的PWM波的頻率為20 kHz，輸出電流在1～2 A，綜合考濾選用：IRF540 IRF540的主要技術參數：擊穿電壓最高可到100 V，最大電流=23 A，導通電阻很小，開關管上升時間為39 ns，滿足系統電路要求。

2.2 降壓電路主要元器件參數計算

1）電感線圈：電感L起儲能作用，根據電力電子技術：

當負載R為10 Ω，開關頻率f選10 kHz，占空比α取最小值10%時，最小電感值：=450mH。

故可選用最大過電流為3 A的500mH的環形電感。

2）濾波電容：濾波電容有抑制輸出紋波和儲能穩壓的作用，其大小可通過公式

當紋波電壓ΔU取0.4 V，U取最大值15 V，取最小值10%，取500mH，f取10 kHz時，可算得濾波電容為84.4mF，可選用470mF～1000mF的鋁電解電容。

3）開關管的選擇：開關管的選擇與升壓電路一樣，本設計選用IRF9540N。

3 系統測試

3.1 測試儀器及方案

系統測試選用電流表、電壓表、數字儲存示波器，數字萬用表等儀器設備，測試方案如圖5所示：

圖5 測試方框圖

圖6 雙向DC—DC變換器實物測試波形圖

3.2 實物測試

設定系統母線電壓為30 V，電路正常工作時，母線電壓恒定，給負載穩定供電，且降壓主電路開始工作，將母線電壓降至儲能裝置額定電壓進行充電；當母線電壓低于30 V時，升壓主電路開始工作，將儲能裝置電壓升至30 V供給母線，同時給負載供電，確保母線電壓恒定于30 V。實物測試波形圖如6所示，測試結果如表1所示：

4 結論

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，并就直流微電網進行能量雙向變換時母線電壓不穩定問題進行研究，通過實物測試結果表明：系統既能工作在充電模式，也能工作在放電模式，且能根據要求進行自動切換；工作在充電模式時，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%，當充電電壓達到母線電壓時，能切斷充電；工作在充電模式時，變換器的效率大于95%，在系統供電電壓發生變化時，系統能自動切換工作模式?？捎行Ы鉀Q直流微電網進行能量雙向變換時母線電壓不穩定問題。

[1] 張衛平等. 綠色電源—現代電能變換技術及應用[M].科學出版社，2001.

[2] 童亦斌，吳峂，金新民，等．雙向 DC/DC 變換器的拓撲研究[J].中國電機工程學報，2007，27( 13) : 82-86．

[3] 劉海波，毛承雄，陸繼明，等．電子電力變壓器儲能系統及其最優控制[J]. 電工技術學報，2010，26( 12) : 54-60．

[4] 梁永春，許麗川，嚴仰光．一種雙閉環控制隔離 Boost 變換器起動控制策略[J]. 中國電機工程學報，2010, 30( 17) :15-20．

[5] 王兆安, 黃俊. 電力電子技術[M]. 北京:機械工業出版社, 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

A

1003-4862（2017）07-0044-04

2017-03-15

湖南省2017年省教育廳科學研究項目（項目編號17C1468）

耿運濤(1989-)，男，碩士。研究方向:電力電子變換與控制技術。