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拓撲結構為主電路拓撲，重點分析了主電路的工作原理。設計了基于TMS320LF2812的控制系統(tǒng)硬件電路、控制系統(tǒng)軟件及數字PID控制器，給出了基于數字化控制的雙向DC-DC變換器的充放電試驗、升降壓快速切換試驗及其技術參數。數字化控制雙向DC-DC變換器實現了太陽能板、蓄電池二者之間的穩(wěn)定充放電及其快速切換。
關鍵詞： 光伏發(fā)電； 雙向DC-DC變換器； TMS320F2812； 數字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，越來越引起國內外研究者的關注。雙向功率變換是一個復雜的多輸入多輸出非線性系統(tǒng)，傳統(tǒng)的模擬控制技術已不能滿足快速多特性控制，因此研究太陽能光伏發(fā)電用全數字化控制雙向DC-DC變換器具有十分重要的學術意義和應用前景。
雙向DC-DC變換器分為主電路和控制系統(tǒng)兩部分，主電路實現能量的雙向流動和變換，控制系統(tǒng)實現光伏系統(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。隔離型主電路拓撲以全橋或半橋電路為主，其缺點十分明顯，開關數量多，控制復雜，效率相對低下。以Boost/Buck雙向DC-DC變換拓撲結構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變換拓撲結構為變換器主電路結構。
主電路電路拓撲如圖1所示，圖中UBAT為蓄電池組低壓側，UVBUS為太陽能陣列高壓側。圖中S和/S為功率開關管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
當開關管S導通時，電流流經L和S，在此時間內L存儲能量，負載端由C2提供能量。當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的反向恢復電流，實現S由截止轉為開通，D由導通轉為截止過程的可靠換流；通過D1、D2、C0、L1支路抑制S的關斷尖峰電壓，實現S由開通轉為截止，D由截止轉為導通過程的可靠換流，存在于高頻無感電容C0中的能量通過D2、L1放電到負載，從而實現了Boost支路的軟換流。
1.2 主電路Buck支路工作原理
當開關管/S導通時，電源通過/S和L為負載提供能量，并為L存儲能量；當/S截止時，L和C1為負載提供能量，經續(xù)流二極管/D形成回路，直到下一周期/S再次導通。
在主功率開關管/S截止的瞬間，/C0吸收關斷電壓尖峰，并通過/D2、/L1和負載形成的回路釋放/C0中的能量；在/S導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電流,實現了/S由截止到開通、D由開通到截止的可靠換流。
2 基于TMS320F2812數字化控制電路硬件
本設計采用的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,經過信號調理電路將信號值調節(jié)到0~3 V，再將其送至TMS320F2812芯片內部集成的12 bit AD轉換器。
(2)PWM驅動電路：TMS320F2812產生的PWM信號，經光耦隔離，并經功率放大后驅動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的驅動保護引腳。
(4)控制電路電源：包括控制電路電源和驅動電路電源，主要為控制電路和驅動電路提供電源。
(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)軟件設計
3.1 控制軟件程序
控制軟件主要包括：ADC中斷服務子程序、充放電控制子程序、數字PID調節(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，可以實現無沖擊啟動或停止。
4 試驗結果及分析
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數字PID電流閉環(huán)調節(jié)，恒壓充電階段實現數字PID電壓閉環(huán)調節(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
當系統(tǒng)工作于放電模式，控制系統(tǒng)實現恒壓輸出數字PID閉環(huán)調節(jié)，實驗波形如圖4所示。
由圖4可知，當系統(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，當輸入電壓大于40 V時，經過約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，滿足了預期設計目標。
理論分析和實驗結果表明，所研究雙向DC-DC變換器實現了能量的雙向流動，增量式數字PID控制算法實現了對蓄電池的恒壓、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。該變換器已應用到獨立太陽能光伏供電系統(tǒng)中，運行結果良好。本研究為太陽能光伏發(fā)電配套設備的研究和工程應用奠定了的技術基礎。
參考文獻
[1] 李 艷，阮新波，楊東升，等. 帶緩沖單元的多輸入直流變換器電路拓撲[J].電工技術學報，2009，24(6):62-68.
[2] KIM Y B, KANG S J. Time delay control for fuel cells with bidirectional DC/DC converter and battery[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2010(35):8792-8803.