摘 要： 介紹了獨(dú)立太陽(yáng)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(diǎn)分析了主電路的工作原理。設(shè)計(jì)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(yàn)、升降壓快速切換試驗(yàn)及其技術(shù)參數(shù)。數(shù)字化控制雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)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(yáng)能光伏發(fā)電是未來能源利用的一大趨勢(shì)，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(guó)內(nèi)外研究者的關(guān)注。雙向功率變換是一個(gè)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(yáng)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(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)和變換，控制系統(tǒng)實(shí)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?，其缺點(diǎn)十分明顯，開關(guān)數(shù)量多，控制復(fù)雜，效率相對(duì)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(diǎn)[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(yáng)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(chǔ)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(shí)，電流流經(jīng)L和S，在此時(shí)間內(nèi)L存儲(chǔ)能量，負(fù)載端由C2提供能量。當(dāng)S截止時(shí)，蓄電池和L釋放能量，向?yàn)V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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)，電源通過/S和L為負(fù)載提供能量，并為L(zhǎng)存儲(chǔ)能量；當(dāng)/S截止時(shí)，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(shí)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(jì)采用的TMS320F2812DSP芯片是TI公司新推出的一款功能強(qiáng)大的32 bit定點(diǎn)DSP，整個(gè)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(hào),經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路將信號(hào)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(dòng)電路：TMS320F2812產(chǎn)生的PWM信號(hào)，經(jīng)光耦隔離，并經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)IGBT。
(3)保護(hù)電路：包括軟件保護(hù)和硬件保護(hù)兩個(gè)部分。軟件保護(hù)電路主要防止太陽(yáng)能電池陣列過壓和過流、蓄電池組過壓和過流。硬件保護(hù)電路主要保護(hù)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(dòng)保護(hù)引腳。
(4)控制電路電源：包括控制電路電源和驅(qū)動(dòng)電路電源，主要為控制電路和驅(qū)動(dòng)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(shí)鐘芯片電路、按鍵及顯示電路等。
3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
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(shí)，即電流換向過程中，PID控制器由于給定值的存在會(huì)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(shí)現(xiàn)無沖擊啟動(dòng)或停止。
4 試驗(yàn)結(jié)果及分析
4.1 充電模式試驗(yàn)
雙向DC-DC變換器工作于充電模式時(shí)，控制系統(tǒng)在恒流限壓階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，恒壓充電階段實(shí)現(xiàn)數(shù)字PID電壓閉環(huán)調(diào)節(jié)， 實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(dòng)約為0.8 A。
4.2 放電模式實(shí)驗(yàn)
當(dāng)系統(tǒng)工作于放電模式，控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)恒壓輸出數(shù)字PID閉環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)驗(yàn)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(shí)，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(shí)，輸出電壓變化幅度約為1 V。整個(gè)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(shí)驗(yàn)
通過檢測(cè)太陽(yáng)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(shí)驗(yàn)波形如圖5所示。由圖5(a)看出，當(dāng)輸入電壓小于40 V時(shí)（實(shí)測(cè)輸入電壓39.35 V），工作模式切換時(shí)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(shí)完全可以正常工作；圖5(b)可知，當(dāng)輸入電壓大于40 V時(shí)，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(shí)別光伏電池陣列端電壓的大小，自動(dòng)快速地切換充、放電模式，滿足了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。
理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研究雙向DC-DC變換器實(shí)現(xiàn)了能量的雙向流動(dòng)，增量式數(shù)字PID控制算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)蓄電池的恒壓、恒流可靠控制，輸出電壓電流靜動(dòng)態(tài)特性良好，充放電模式切換時(shí)間小于2 ms，滿足使用要求。該變換器已應(yīng)用到獨(dú)立太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)中，運(yùn)行結(jié)果良好。本研究為太陽(yáng)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(xiàn)
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