摘 要： 介紹了獨立太陽能光伏發(fā)電的意義,，采用非隔離型Boost/Buck拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主電路拓?fù)?，重點分析了主電路的工作原理。設(shè)計了基于TMS320LF2812的控制系統(tǒng)硬件電路,、控制系統(tǒng)軟件及數(shù)字PID控制器,，給出了基于數(shù)字化控制的雙向DC-DC變換器的充放電試驗,、升降壓快速切換試驗及其技術(shù)參數(shù)。數(shù)字化控制雙向DC-DC變換器實現(xiàn)了太陽能板,、蓄電池二者之間的穩(wěn)定充放電及其快速切換,。
關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電； 雙向DC-DC變換器,； TMS320F2812,； 數(shù)字PID
太陽能光伏發(fā)電是未來能源利用的一大趨勢，逐漸得到廣泛應(yīng)用,。雙向DC-DC變換器作為光伏發(fā)電系統(tǒng)中重要的功率變換裝置,，越來越引起國內(nèi)外研究者的關(guān)注。雙向功率變換是一個復(fù)雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng),，傳統(tǒng)的模擬控制技術(shù)已不能滿足快速多特性控制,，因此研究太陽能光伏發(fā)電用全數(shù)字化控制雙向DC-DC變換器具有十分重要的學(xué)術(shù)意義和應(yīng)用前景。
雙向DC-DC變換器分為主電路和控制系統(tǒng)兩部分,，主電路實現(xiàn)能量的雙向流動和變換,，控制系統(tǒng)實現(xiàn)光伏系統(tǒng)升降壓特性和光伏系統(tǒng)中蓄電池的充電模式、放電模式及其快速切換等控制算法,。
1 雙向DC-DC變換器的主電路構(gòu)成
雙向DC-DC變換器主電路分為隔離型和非隔離型兩大類,。隔離型主電路拓?fù)湟匀珮蚧虬霕螂娐窞橹鳎淙秉c十分明顯,，開關(guān)數(shù)量多,，控制復(fù)雜，效率相對低下,。以Boost/Buck雙向DC-DC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為代表的非隔離型克服了這些缺點[1],。因此采用非隔離的Boost/Buck雙向DC-DC變換拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為變換器主電路結(jié)構(gòu)。
主電路電路拓?fù)淙鐖D1所示,，圖中UBAT為蓄電池組低壓側(cè),，UVBUS為太陽能陣列高壓側(cè)。圖中S和/S為功率開關(guān)管IGBT,，D和/D為續(xù)流二極管,，C1和C2為濾波電容，L為儲能電感,，L0和/L0為高頻扼流環(huán),，D1、D2,、L1,、C0和/D1、/D2,、/L1,、/C0分別組成了Boost和Buck軟換流支路,。
1.1 主電路Boost支路工作原理
當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時，電流流經(jīng)L和S,，在此時間內(nèi)L存儲能量,，負(fù)載端由C2提供能量,。當(dāng)S截止時,，蓄電池和L釋放能量，向濾波電容C2提供充電電流和負(fù)載提供輸出電流,。
在此支路中,，通過高頻扼流環(huán)L0抑制主功率二極管D的反向恢復(fù)電流，實現(xiàn)S由截止轉(zhuǎn)為開通,，D由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為截止過程的可靠換流,；通過D1、D2,、C0,、L1支路抑制S的關(guān)斷尖峰電壓，實現(xiàn)S由開通轉(zhuǎn)為截止,，D由截止轉(zhuǎn)為導(dǎo)通過程的可靠換流,，存在于高頻無感電容C0中的能量通過D2、L1放電到負(fù)載,，從而實現(xiàn)了Boost支路的軟換流,。
1.2 主電路Buck支路工作原理
當(dāng)開關(guān)管/S導(dǎo)通時，電源通過/S和L為負(fù)載提供能量,，并為L存儲能量,；當(dāng)/S截止時，L和C1為負(fù)載提供能量,，經(jīng)續(xù)流二極管/D形成回路,，直到下一周期/S再次導(dǎo)通。
在主功率開關(guān)管/S截止的瞬間,，/C0吸收關(guān)斷電壓尖峰,，并通過/D2、/L1和負(fù)載形成的回路釋放/C0中的能量,；在/S導(dǎo)通的瞬間主功率二極管/D截止,，高頻扼流環(huán)/L0扼制了主功率二極管的反向恢復(fù)電流,實現(xiàn)了/S由截止到開通、D由開通到截止的可靠換流,。
2 基于TMS320F2812數(shù)字化控制電路硬件
本設(shè)計采用的TMS320F2812DSP芯片是TI公司新推出的一款功能強大的32 bit定點DSP,，整個控制電路硬件組成如圖2所示，主要功能如下：
(1)AD采樣：電壓,、電流傳感器從主電路中采樣回電壓電流信號,經(jīng)過信號調(diào)理電路將信號值調(diào)節(jié)到0~3 V,，再將其送至TMS320F2812芯片內(nèi)部集成的12 bit AD轉(zhuǎn)換器,。
(2)PWM驅(qū)動電路：TMS320F2812產(chǎn)生的PWM信號，經(jīng)光耦隔離,，并經(jīng)功率放大后驅(qū)動IGBT,。
(3)保護電路：包括軟件保護和硬件保護兩個部分。軟件保護電路主要防止太陽能電池陣列過壓和過流,、蓄電池組過壓和過流,。硬件保護電路主要保護主功率器件的過壓和過流，通過邏輯門電路連至DSP2812的驅(qū)動保護引腳,。
(4)控制電路電源：包括控制電路電源和驅(qū)動電路電源,，主要為控制電路和驅(qū)動電路提供電源。
(5)其他電路：除以上所述的電路外,，控制板上還集成有CAN通信電路,、RS-232通信電路、時鐘芯片電路,、按鍵及顯示電路等,。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 控制軟件程序
控制軟件主要包括：ADC中斷服務(wù)子程序、充放電控制子程序,、數(shù)字PID調(diào)節(jié)算法子程序,、CAN及RS-232通信子程序。
雙向DC-DC變換器在充,、放電模式切換時,，即電流換向過程中，PID控制器由于給定值的存在會引發(fā)變換器功率沖擊,，而增量式PID控制器由于不存在給定值,，可以實現(xiàn)無沖擊啟動或停止。
4 試驗結(jié)果及分析
4.1 充電模式試驗
雙向DC-DC變換器工作于充電模式時,，控制系統(tǒng)在恒流限壓階段實現(xiàn)數(shù)字PID電流閉環(huán)調(diào)節(jié),，恒壓充電階段實現(xiàn)數(shù)字PID電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)， 實驗所采集波形如圖3所示,。圖3(a),、(b)分別表示充電電流波形和蓄電池端電壓波形。
在恒流充電階段,，充電電流穩(wěn)定,， 電流脈動約為0.2 A；恒壓充電階段,，蓄電池組端電壓穩(wěn)定在32 V,，電流脈動約為0.8 A。
4.2 放電模式實驗
當(dāng)系統(tǒng)工作于放電模式，控制系統(tǒng)實現(xiàn)恒壓輸出數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié),，實驗波形如圖4所示,。
由圖4可知，當(dāng)系統(tǒng)輸出功率在200 W~400 W變化時,，輸出電壓變化幅度約為0.3 V,；當(dāng)系統(tǒng)在400 W~800 W變化時，輸出電壓變化幅度約為1 V,。整個系統(tǒng)輸出在負(fù)載突變的過程中仍能保證輸出電壓的穩(wěn)定,，能夠滿足用戶要求。
4.3 充放電模式切換實驗
通過檢測太陽能電池陣列輸出電壓大小,，判斷雙向DC-DC變換器工作模式,。充放電實驗波形如圖5所示,。由圖5(a)看出,，當(dāng)輸入電壓小于40 V時（實測輸入電壓39.35 V），工作模式切換時間約為100 μs,，蓄電池組可由充電狀態(tài)切換到放電狀態(tài),，一般家用電器在斷電不超過10 ms時完全可以正常工作；圖5(b)可知,，當(dāng)輸入電壓大于40 V時,，經(jīng)過約2 ms蓄電池組可由放電狀態(tài)切換到充電狀態(tài)。因此,，雙向DC-DC變換器能夠識別光伏電池陣列端電壓的大小,，自動快速地切換充、放電模式,，滿足了預(yù)期設(shè)計目標(biāo),。
理論分析和實驗結(jié)果表明，所研究雙向DC-DC變換器實現(xiàn)了能量的雙向流動,，增量式數(shù)字PID控制算法實現(xiàn)了對蓄電池的恒壓,、恒流可靠控制，輸出電壓電流靜動態(tài)特性良好,，充放電模式切換時間小于2 ms,，滿足使用要求。該變換器已應(yīng)用到獨立太陽能光伏供電系統(tǒng)中,，運行結(jié)果良好,。本研究為太陽能光伏發(fā)電配套設(shè)備的研究和工程應(yīng)用奠定了的技術(shù)基礎(chǔ)。
參考文獻
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