直流微電網雙向Buck-Boost變換器控制模型的研究

時 穎 杭阿芳 田行璇 許海洋 龍文萱

（金陵科技學院 機電工程學院，南京 211169）

隨著新能源技術的發展和人們對清潔可再生能源的開發，分布式光伏發電和儲能等技術成為新能源的發展趨勢[1]，促使微電網自給自足的發電方式不斷更新發展。

本文研究含有分布式發電與儲能元件的直流微電網，以電容作為主要元器件，設計電路參數和控制元件參數，通過仿真確定參數的可行性，得到電流與電壓紋波小、精度高的雙向Buck-Boost變換器。

1 雙向Buck-Boost變換器的拓撲結構

DC-DC變換器是對直流電壓參數進行變換的電力電子轉換器[2]。在直流微電網下，分布式發電通過單向變換器和儲能同時對負荷供電，而儲能元件在一定條件下可作為負荷。本文通過對直流微電網的設計添加雙向DC-DC變換器來實現儲能的充放電。儲能是為了補償波動性電源及負荷的變化，從而提高微電網的可 靠性[3]。

雙向DC-DC變換器是“一機兩用”的設備[4]，相較單向變換器，可實現電壓能量雙向傳輸[5]，使系統減少功率器件使用量，降低損耗，提高效率，提升動態性能。

雙向Buck-Boost變換器是在單向Buck-Boost變換器原功率MOS管上反并聯二極管，在原二極管上反并聯功率MOS管后構成，同時使兩個功率MOS管互補導通，拓撲結構如圖1所示。

該電路存在升壓和降壓兩種工作方式。當電壓從U1流向U2時，Q1導通、Q2截止，則工作在Buck模式下；當能量從U2流向U1時，Q2導通、Q1截止，則工作在Boost模式下。若變換器兩側都有電源，則能量流動方式取決于兩個電源電壓的大小。若U1＞U2，能量從U1流向U2；反之，從U2流向U1。

根據不同類型雙向DC-DC變換器適用場合和拓撲結構進行對比，選調壓范圍較寬、拓撲結構簡單、適用于小功率場合的雙向Buck-Boost變換器[6]。

2 雙向Buck-Boost變換器參數設計

本次設計的電路有兩種工作模式，因此主電路要根據Buck電路與Boost電路兩個方面進行設計，從而使設計的電路能夠同時滿足兩個電路的要求[7]。通過SIMULINK建立實驗模型，實驗模型采用鉛酸蓄電池作為儲能裝置，計算合適的變換器參數。電路主要設計參數，如表1所示。

表1 電路主要設計參數

2.1 電感參數的計算

電感作為雙向DC-DC變換器的核心部分，在電路中一般是先充電再放電。根據公式計算電感的臨界值，結合實際，選擇大于計算結果的電感值。

Buck模式下的臨界電感為：

式中：L1為Buck模式的臨界電感；UH為電路高壓側電壓，指Buck模式的輸入電壓；UL為電路低壓側電壓，指Buck模式的輸出電壓；P1為Buck模式下的電路功率30 W。將數據代入式（1），得L1=12.7 μH。

Boost模式下的臨界電感為：

式中：L2為Boost模式的臨界電感；UH為電路高壓側電壓，指Boost模式的輸出電壓；UL為電路低壓側電壓，指Boost模式的輸入電壓；P2為Boost模式下的電路功率50 W。將數據代入式（2），得L1=9.375 μH。

根據實際情況并留有部分裕量，最終取L=80 μH。

2.2 電容參數的計算

Buck模式下的濾波電容為：

式中：Ts指開關周期；D為Buck模式時的占空比；?U為母線電壓的紋波。由于電路在工作時輸出的電壓紋波需小于0.5%，故?U的取值應為12 V的0.5%，即0.06 V。將數據代入式（3），得C1=16.5 μH。

Boost模式下的濾波電容為：

式中：R為負載阻值；UH為電路中高壓側電壓值；UL為電路中低壓側電壓值。設定的Boost模式下的放電功率為50 W，根據，可得R=18 Ω。同樣，電路設計的電壓紋波應小于0.5%。由于Boost變換器的輸出電壓為25.5 V，故?U=0.13 V。將相關數據代入式（4），得C2=50 μH。

3 雙向Buck-Boost變換器的控制方案

該變換器的控制電路由脈沖寬度調制（Pulse Width Modulation，PWM）電路、電流內環控制電路和電壓外環控制電路組成。本次設計采用雙閉環控制方式，外環為電壓控制，內環為電流控制。采用比例控制為閉環控制方式。

根據圖2和圖3雙閉環雙向Buck-Boost變換器，在不同模式下控制主電路完成仿真所需的雙閉環設計。

（1）電路為Boost模式時，電壓從右向左，控制直流母線的穩定，電池恒流放電。

（2）電路為Buck模式時，電壓從左向右，電池恒壓充電。

4 建模與仿真結果分析

仿真實驗采用鉛酸電池作為儲能系統，蓄電池組選擇內阻模型，優點是模型簡單實用，較容易實現建模，但精度不高，本次實驗可忽略。根據電路拓撲圖完成仿真實驗的模型圖，需觀察電池電壓和電流、負荷電壓的大小及放大圖完成實驗的要求，并在相應位置設置示波器測量數值，以便觀察，從而達到相應的實驗目的。

由于電路是實現升壓和降壓過程的雙向變換電路，設計主電路時添加選擇器。當[M]指向“1”時，電路為Buck模式；當[M]指向“2”時，電路為Boost 模式。

在SIMULINK中搭建仿真平臺，對雙向Buck-Boost變換器電路參數進行結果驗證。圖4和圖5為搭建的主電路圖。電源高壓側為25.5 V，低壓側為12.0 V，雙向Buck-Boost變換器電容C1為20 μF，C2為50 μF，電感L取值為80 μH。對于比例控制參數，當電路處于Buck模式即向電池充電時，電壓環參數Kp=5，電流環參數Kp=0.04；當電路處于Boost模式即向電池放電時，電壓環參數Kp=1/20，電流環參數Kp=0.147，直流負載1功率為30 W，直流負載2功率為50 W；雙向Buck-Boost變換器開關頻率為100 kHz。

雙向Buck-Boost變換器在Buck模式即向蓄電池充電時，電池電壓大小的仿真曲線如圖6所示，將其放大觀察波動情況如圖7所示。觀察圖6和圖7，電路在Buck狀態時充電電壓響應速度快，因電容起到穩壓作用，電壓紋波很小，滿足實際要求。

此時，電池電流大小如圖8所示，放大觀察波動情況如圖9所示。觀察圖9可見，電流紋波很小，精度高。

雙向Buck-Boost變換器在Boost模式即蓄電池供電時，蓄電池對負荷供電，直流電源處于斷開狀態。因此，只考慮負荷兩端的電壓電流是否符合精度要求。因負荷為阻性負荷，負荷兩端電流與電壓成正比，僅考慮負荷兩端電壓，此時負荷兩端電壓如圖10所示，局部放大后如圖11所示。

觀察圖10和圖11，電路在Boost狀態時，負荷兩端電壓響應速度快、精度高、電壓紋波很小，符合實際需求。

5 結語

根據直流微電網的需求，設計關于雙向Buck-Boost變換器的電路模型，并計算電路參數和雙閉環的控制環節參數。通過仿真軟件進行建模實現所需要求，根據仿真分析圖得出仿真模型具有響應速度快、控制精度高、電流紋波小等優點，可滿足實際需要。