時(shí) 穎 杭阿芳 田行璇 許海洋 龍文萱

（金陵科技學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，南京 211169）

隨著新能源技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)清潔可再生能源的開發(fā)，分布式光伏發(fā)電和儲(chǔ)能等技術(shù)成為新能源的發(fā)展趨勢[1]，促使微電網(wǎng)自給自足的發(fā)電方式不斷更新發(fā)展。

本文研究含有分布式發(fā)電與儲(chǔ)能元件的直流微電網(wǎng)，以電容作為主要元器件，設(shè)計(jì)電路參數(shù)和控制元件參數(shù)，通過仿真確定參數(shù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)

DC-DC變換器是對(duì)直流電壓參數(shù)進(jìn)行變換的電力電子轉(zhuǎn)換器[2]。在直流微電網(wǎng)下，分布式發(fā)電通過單向變換器和儲(chǔ)能同時(shí)對(duì)負(fù)荷供電，而儲(chǔ)能元件在一定條件下可作為負(fù)荷。本文通過對(duì)直流微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)添加雙向DC-DC變換器來實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的充放電。儲(chǔ)能是為了補(bǔ)償波動(dòng)性電源及負(fù)荷的變化，從而提高微電網(wǎng)的可 靠性[3]。

雙向DC-DC變換器是“一機(jī)兩用”的設(shè)備[4]，相較單向變換器，可實(shí)現(xiàn)電壓能量雙向傳輸[5]，使系統(tǒng)減少功率器件使用量，降低損耗，提高效率，提升動(dòng)態(tài)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(lián)二極管，在原二極管上反并聯(lián)功率MOS管后構(gòu)成，同時(shí)使兩個(gè)功率MOS管互補(bǔ)導(dǎo)通，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

該電路存在升壓和降壓兩種工作方式。當(dāng)電壓從U1流向U2時(shí)，Q1導(dǎo)通、Q2截止，則工作在Buck模式下；當(dāng)能量從U2流向U1時(shí)，Q2導(dǎo)通、Q1截止，則工作在Boost模式下。若變換器兩側(cè)都有電源，則能量流動(dòng)方式取決于兩個(gè)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(jù)不同類型雙向DC-DC變換器適用場合和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，選調(diào)壓范圍較寬、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shù)設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的電路有兩種工作模式，因此主電路要根據(jù)Buck電路與Boost電路兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而使設(shè)計(jì)的電路能夠同時(shí)滿足兩個(gè)電路的要求[7]。通過SIMULINK建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎勉U酸蓄電池作為儲(chǔ)能裝置，計(jì)算合適的變換器參數(shù)。電路主要設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 電路主要設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 電感參數(shù)的計(jì)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(jù)公式計(jì)算電感的臨界值，結(jié)合實(shí)際，選擇大于計(jì)算結(jié)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(cè)電壓，指Buck模式的輸入電壓；UL為電路低壓側(cè)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(shù)據(jù)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(cè)電壓，指Boost模式的輸出電壓；UL為電路低壓側(cè)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(shù)據(jù)代入式（2），得L1=9.375 μH。

根據(jù)實(shí)際情況并留有部分裕量，最終取L=80 μH。

2.2 電容參數(shù)的計(jì)算

Buck模式下的濾波電容為：

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

Boost模式下的濾波電容為：

式中：R為負(fù)載阻值；UH為電路中高壓側(cè)電壓值；UL為電路中低壓側(cè)電壓值。設(shè)定的Boost模式下的放電功率為50 W，根據(jù)，可得R=18 Ω。同樣，電路設(shè)計(jì)的電壓紋波應(yīng)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(guān)數(shù)據(jù)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(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）電路、電流內(nèi)環(huán)控制電路和電壓外環(huán)控制電路組成。本次設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)控制方式，外環(huán)為電壓控制，內(nèi)環(huán)為電流控制。采用比例控制為閉環(huán)控制方式。

根據(jù)圖2和圖3雙閉環(huán)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(huán)設(shè)計(jì)。

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

（2）電路為Buck模式時(shí)，電壓從左向右，電池恒壓充電。

4 建模與仿真結(jié)果分析

仿真實(shí)驗(yàn)采用鉛酸電池作為儲(chǔ)能系統(tǒng)，蓄電池組選擇內(nèi)阻模型，優(yōu)點(diǎn)是模型簡單實(shí)用，較容易實(shí)現(xiàn)建模，但精度不高，本次實(shí)驗(yàn)可忽略。根據(jù)電路拓?fù)鋱D完成仿真實(shí)驗(yàn)的模型圖，需觀察電池電壓和電流、負(fù)荷電壓的大小及放大圖完成實(shí)驗(yàn)的要求，并在相應(yīng)位置設(shè)置示波器測量數(shù)值，以便觀察，從而達(dá)到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

由于電路是實(shí)現(xiàn)升壓和降壓過程的雙向變換電路，設(shè)計(jì)主電路時(shí)添加選擇器。當(dāng)[M]指向“1”時(shí)，電路為Buck模式；當(dāng)[M]指向“2”時(shí)，電路為Boost 模式。

在SIMULINK中搭建仿真平臺(tái)，對(duì)雙向Buck-Boost變換器電路參數(shù)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證。圖4和圖5為搭建的主電路圖。電源高壓側(cè)為25.5 V，低壓側(cè)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(duì)于比例控制參數(shù)，當(dāng)電路處于Buck模式即向電池充電時(shí)，電壓環(huán)參數(shù)Kp=5，電流環(huán)參數(shù)Kp=0.04；當(dāng)電路處于Boost模式即向電池放電時(shí)，電壓環(huán)參數(shù)Kp=1/20，電流環(huán)參數(shù)Kp=0.147，直流負(fù)載1功率為30 W，直流負(fù)載2功率為50 W；雙向Buck-Boost變換器開關(guān)頻率為100 kHz。

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

此時(shí)，電池電流大小如圖8所示，放大觀察波動(dòng)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(shí)，蓄電池對(duì)負(fù)荷供電，直流電源處于斷開狀態(tài)。因此，只考慮負(fù)荷兩端的電壓電流是否符合精度要求。因負(fù)荷為阻性負(fù)荷，負(fù)荷兩端電流與電壓成正比，僅考慮負(fù)荷兩端電壓，此時(shí)負(fù)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(tài)時(shí)，負(fù)荷兩端電壓響應(yīng)速度快、精度高、電壓紋波很小，符合實(shí)際需求。

5 結(jié)語

根據(jù)直流微電網(wǎng)的需求，設(shè)計(jì)關(guān)于雙向Buck-Boost變換器的電路模型，并計(jì)算電路參數(shù)和雙閉環(huán)的控制環(huán)節(jié)參數(shù)。通過仿真軟件進(jìn)行建模實(shí)現(xiàn)所需要求，根據(jù)仿真分析圖得出仿真模型具有響應(yīng)速度快、控制精度高、電流紋波小等優(yōu)點(diǎn)，可滿足實(shí)際需要。