基于MATLAB的蓄電池DC-DC變換器仿真研究

劉冬輝 王 楠 田 赟

（北方民族大學電氣信息工程學院，寧夏銀川750021）

0 引言

近年來世界經濟不斷發展，能源需求增大，市場上風光發電系統的應用層次逐漸提高，世界各地更加注重對風光發電系統的深入研究。風光互補發電系統由光伏發電裝置[1]、風電裝置等分布式電源與蓄電池儲能裝置等組成，儲能裝置主要用于儲存電能及逆變器的供電。風光發電系統儲能裝置在長期運行中蓄電池經常受過充或過放影響，致使其內部受損，儲能效率下降。現如今，研究蓄電池儲能、放能控制成為風光發電系統規模化發展的熱門話題。

DC-DC變換在蓄電池儲能中應用廣泛，利用DC-DC變換器可將輸入紋波系數較小的直流電轉化為適合蓄電池充電的直流電壓，通過加入PI控制器反饋調節系統調節PWM波占空比，實現先恒流后恒壓的蓄電池充電過程和恒壓放電過程，提高蓄電池充放電效率和運行穩定性，防止蓄電池過度充電、過度放電和二次充電。

1 儲能裝置充放電控制分析

DC-DC變換器模型基于斬波電路搭建，采用脈沖寬度調制方式控制，維持晶閘管開關周期恒定，通過調節PWM占空比α改變電路輸出端電壓，控制蓄電池電信號動態輸出。

1.1 DC-DC變換器模型

DC-DC變換器電路主要由蓄電池充電電路、放電電路和檢測保護電路三部分組成，其模型如圖1所示。蓄電池充電電路主體由BUCK拓撲電路和PI控制器閉環反饋電路組成，通過控制蓄電池充電電路先恒流輸出并逐漸升高電壓，待電壓達到預期值，控制輸出電壓電流恒定，保持恒壓恒流充電。放電電路主體由BOOST拓撲電路和PID控制器閉環反饋電路組成，通過反饋控制電路控制蓄電池輸出電壓保持恒定，降低輸出直流電的紋波系數。

圖1 DC-DC變換器模型

1.1.1 蓄電池充電控制模型

蓄電池充電控制模型如圖2所示，Buck拓撲電路[2]通過控制PWM占空比α使輸入端向蓄電池供電，檢測電路采集輸出電壓值Uout1與期望電壓值U0作差，利用PI調節與Buck電路輸出電流值作差，再通過PI調節反饋到MCU改變PWM波信號占空比α，從而構成閉環反饋系統。

圖2 蓄電池充電控制模型

1.1.2 蓄電池放電控制模型

蓄電池放電控制模型如圖3所示，Boost拓撲電路[2]通過PWM波控制晶閘管的導通關斷結合電感、電容充放電向負載供電。由檢測電路采集輸出電壓值Uout2與設定電壓值U1作差，利用PID調節反饋到PWM波占空比α控制端，構成恒壓輸出控制系統。

圖3 蓄電池放電控制模型

1.2 蓄電池充放電控制原理

蓄電池充電方式一般為恒壓充電，為防止蓄電池虧電嚴重時充電電流過大損壞電池，在蓄電池充電控制電路中引入電流電壓閉環控制系統，控制充電電流先以恒定值輸出，后逐漸降低直至電壓穩定。蓄電池放電過程采用恒壓放電，初始電壓偏高，隨著時間變化輸出電壓逐漸降低，為提高蓄電池供電效率和供電穩定性，在此基礎上加入放電閉環控制系統，將輸出電壓作為受控對象，經過PID控制器調節反饋到放電電路控制端，保持輸出電壓恒定。

1.2.1 蓄電池充電控制原理

蓄電池充電控制主要通過控制輸入蓄電池的電壓、電流信號完成。由充電電壓值與期望電壓值作差，經PI控制器調節限幅，作為輸入信號與充電電流值作差，經響應速度更快的PI控制器調節后作為控制信號接入充電電路控制端，構成先恒流充電后恒壓恒流充電的控制過程。

1.2.2 蓄電池放電控制原理

蓄電池放電過程通過將輸出電壓Uout2反饋到輸入端作為輸入值，經限幅與預期電壓值作差，調節PID中比例放大系數Kp、積分放大系數Ki和微分放大系數Kd三個系數控制PWM波輸出占空比α，進而由Boost電路控制蓄電池輸出電壓值Uout2，使蓄電池放電電壓保持恒定。

2 儲能裝置充放電控制仿真

通過仿真得出充電控制電路輸出電壓電流波形如圖4所示，輸出電壓Uout1的波形呈一定斜率上升到預設電壓值U0后保持恒定，輸出電流Iout以恒定電流輸出，直到輸出電壓逐漸增加到U0后，Iout逐漸減小至保持恒定，以恒定電壓、恒定電流輸出。

圖4 充電電路輸出電壓電流波形

DC-DC控制器輸出電壓波形如圖5所示，輸出電壓Uout2升高到預設電壓值U1，由放電控制電路動態穩定。

圖5 放電電路輸出電壓波形

3 結語

通過仿真可知，DC-DC變換器模型能夠實現預期充放電效果并達到期望電壓值，驗證了DC-DC變換器模型控制蓄電池先以恒電流充電，待充電電壓升高后再以恒電壓恒電流充電的模式，及恒電壓方式放電，能提高蓄電池儲能裝置工作效率，防止蓄電池過充電、過放電和二次充電。

[1]郭華棟.基于B/S結構的風光互補發電系統設計與監控[D].沈陽：東北大學，2014.

[2]王兆安，劉進軍.電力電子技術[M].5版.北京：機械工業出版社，2009：120，124.