光伏發(fā)電三端口DC-DC 變換器設計

楊川，余坤蓉，牟琪琦，石浩宏

（重慶機電職業(yè)技術大學，重慶璧山，402760）

光伏發(fā)電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變?yōu)殡娔艿囊环N技術。為提高光伏發(fā)電的可靠性、利用率和持續(xù)性，需要設計一個三端口DC-DC 變換器，在光伏充足時將多余電能給電池組充電和給負載功能，在光伏不充足時電池組同時放電給負載功能，達到始終穩(wěn)定輸出一定功率的目的。還需考慮最大能量傳輸和最大效率，在保證穩(wěn)定輸出的同時盡可能提高光伏利用率，即隨時實現(xiàn)三端口的MPPT（最大功率點跟蹤）。

1 總體方案設計

由于本系統(tǒng)涉及大量的數(shù)據(jù)處理，MCU采用STM32嵌入式控制芯片，用STM32可以讓電路工作在最高頻率72MHz，速度可達到1.25 dmips/MHz，利用STM32單片機可以從多個字節(jié)數(shù)快速流暢的訪問到內(nèi)存，并且不用等待周期，而且可以使兩萬的字節(jié)去訪問SRAM。具有雙采樣和保持功能的功能[1]。

由于本設計涉及的電壓較高，數(shù)據(jù)處理較為復雜，所以采用兩個LM5117四象限同步整流制作雙向DC-DC變換器。采用2個繼電器用于模式切換，一路用于充電DC-DC模塊給電池充電，另一路利用電池通過DC-DC給負載供電。控制基于電流上升模擬。電流調(diào)節(jié)具有輸入電壓、循環(huán)間電壓限制和簡化回路校正的固有功能。使用模擬控制閥可以降低脈寬調(diào)制開關對噪聲的靈敏度，并允許可靠地控制高壓應用所需的最小控制周期[2]。

設計兩種工作模式，模式1由光伏給電池充電和穩(wěn)定輸出30V、1.5A，模式2光伏能量不足時由光伏和電池同時給輸出供電，穩(wěn)定輸出30V、1.5A。系統(tǒng)總體方案如圖1所示。

圖1 雙向DC—DC變換器系統(tǒng)圖

2 核心電路設計

2.1 基于LT8705的四象限主DC-DC設計

LT8705是一種與同類產(chǎn)品而言功能更強大、性能更好的開關穩(wěn)壓控制器，此控制器工作時，由于采用了四象限開關技術，可以自動實現(xiàn)升壓和降壓模式無縫切換，保證輸出端電壓或電流穩(wěn)定。將輸入端的電流、電壓和輸出端的電流、電壓組合形成集成反饋回路。其效率高達99%。本設計中用于末級穩(wěn)定30V輸出。

2.2 基于LM5117的雙向DC-DC設計

LM5117是TI公司出品的一款高效率集成DC-DC控制器，LM5117是一種同步降壓控制器，可作為有高壓或不同輸入電源的降壓調(diào)節(jié)器使用。同時具有包括頻率同步、間歇模式功率限制和可調(diào)低壓鎖定等功能。非常適合用于本系統(tǒng)的雙向DC-DC設計。采用基于電流模式使用模擬電流量長度控制的控制方法。電流調(diào)節(jié)具有輸入、循環(huán)間電壓限制和簡化的回路校正等作用。通過使用模擬控制閥來控制，可以降低噪聲對脈寬調(diào)制開關的干擾，并允許可靠地控制高壓應用所需的最小控制周期。實測設計的雙向DC-DC電路最高效率可達98%[3]。

2.3 基 于LTC3780的輔助DC-DC設計

圖2 基于LT8705的四象限主DC—DC設計

圖3 基于LM5117的雙向DC—DC設計

輔助電源為單片機和運算放大器、切換電路、采樣電路等輔助電路供電。由于系統(tǒng)整體高效率的要求及光伏輸入的不穩(wěn)定性，采用LTC3780作為輔助DC-DC設計，LTC3780開關控制器是一種高效、同步的四個降壓-升壓型控制器，具有同步整流、效率高達98%、功率模式控制、輸出電壓保護、穩(wěn)定輸出的電壓、驅(qū)動輸入輸出電流、具有良好的線性關系等等。作為輔助電源，如圖4所示。

圖4 基于LTC3780的輔助DC—DC設計

3 程序設計

3.1 主程序設計

通過采集當前實際電壓U11與給定的設置電壓相比較，若發(fā)現(xiàn)當前實際電壓與設置電壓不同，就利用PID算法改變當前單片機的輸出電壓,，使其向目標設置電壓靠近。利用當前偏差值和歷史偏差值總和，與最近兩次偏差之差組成比例算法、積分算法、微分算法。用比例調(diào)整它實際電壓趨近于設置電壓，用積分算法消除系統(tǒng)的余差，用微分算法作超前調(diào)節(jié)的作用。并且通過PID實時調(diào)節(jié)當前實際電壓值，減小誤差，接近設置的電壓值[4-5]。

通過對實際電壓的采集，STM32單片機利用模數(shù)轉換，將模擬量轉化為數(shù)字量，使單片機將采集的當前實際電壓與我們設置電壓相比較。若當前實際電壓小于設置電壓，則通過PID算法對電壓進行實時的增加，直至當前實際電壓大于等于設置電壓時停止；若當前實際電壓大于設置電壓，則通過PID算法對電壓進行實時的減少，直至當前實際電壓小于等于設置電壓時停止。最后通過數(shù)模轉換，將數(shù)字量變成模擬量，增加電壓或減少電壓，使當前實際電壓最后等于設置電壓。

3.2 PID算法設計

由PID控制程序框圖，可以知道它的傳輸函數(shù)為：

但在程序中，我們只能在時域離散表達式之后編寫算法。因此，將上述公式轉換為時域表達式：

圖5 程序工作流程圖

我們需要在計算機中對該公式進行編程，而上述公式是一個連續(xù)時間表達式，因此我們只能將其離散化，推導出他的差分方程如下所示：

通過對PID算法的運用，將算法用于程序中：pid.En=pid.set-pid.curr（本次誤差）；dk1=pid.En-pid.En_1（本次偏差與上次偏差之差）；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（本次應該輸出的增量）；pid.currpwm+=pid.Dout（本次應該輸出的PWM）。通過輸出的PWM的脈寬來調(diào)節(jié)電壓輸出的大小，從而精確調(diào)節(jié)電壓的大小。

4 系統(tǒng)測試及測試結果

測試實驗設備及儀器：六個新型數(shù)字萬用表，一個可調(diào)直流開關穩(wěn)壓電源，一個可調(diào)直流電子負載。利用直流電源作為模擬光伏輸入進行測試。

工作模式1中，當Us=50V、Io=1.2A時，輸出電壓始終穩(wěn)定在30V±0.01V，IB的電流都是大于0.5A。證明實時在給電池充電。

工作模式1中，當Io=1.2A時，Us由45V增加至55V時，輸出電壓始終穩(wěn)定在30V±0.01V，可以得出電壓調(diào)整率Su≤0.5%，符合所需要求。

Io=1.2A時，模擬光伏降低，Us由55V減少至25V，輸出電壓始終穩(wěn)定在30V±0.01V,變換器能夠從模式Ⅰ自動轉換到模式II，由表格測試數(shù)據(jù)可以得出，偏差≤0.1V,電壓調(diào)整率Su≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，Us=50V、Io由1.2A減小至0.6A時，輸出電壓始終穩(wěn)定在30V±0.01V，由以上試驗數(shù)據(jù)中可以計算得到負載調(diào)整率為SI≤0.5%。

當Us=50V、Io由1.2A減小至0.6A時，輸出電壓始終穩(wěn)定在30V±0.01V，變換器能夠從模式II自動轉換到模式Ⅰ,負載調(diào)整率SI≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，當Us=50V、Io=1.2A時，滿足輸出電壓Uo=30V±0.01V，變換器效率≥96%。

在工作模式II，當Us=35V、Io=1.2A時，Us由55V減少至25V，始終滿足輸出電壓Uo=30V±0.1V，變換器效率≥96%。

5 結束語

通過多次測試，本文設計的光伏發(fā)電三端口DC-DC 變換器實現(xiàn)了所需功能和要求。模擬光伏電池向負載供電的同時為電池組充電工作模式1，和模擬光伏電池和電池組同時為負載供電的工作模式2，可以根據(jù)Us的大小和負載情況，使變換器可以安全工作時進行模式I與模式II的自動無縫轉換。在測試的全過程中，輸出電壓Uo也一直穩(wěn)定保持在30V±0.1V，整機效率大于96%。