摘 要： 介紹了獨立太陽能光伏發電的意義，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的控制系統硬件電路、控制系統軟件及數字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定充放電及其快速切換。
關鍵詞： 光伏發電； 雙向DC-DC變換器； TMS320F2812； 數字PID
太陽能光伏發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變換器作為光伏發電系統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，傳統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兩部分，主電路實現能量的雙向流動和變換，控制系統實現光伏系統升降壓特性和光伏系統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，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/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，控制系統在恒流限壓階段實現數字PID電流閉環調節，恒壓充電階段實現數字PID電壓閉環調節， 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，充電電流穩定， 電流脈動約為0.2 A；恒壓充電階段，蓄電池組端電壓穩定在32 V，電流脈動約為0.8 A。
4.2 放電模式實驗
當系統工作于放電模式，控制系統實現恒壓輸出數字PID閉環調節，實驗波形如圖4所示。
由圖4可知，當系統輸出功率在200 W~400 W變化時，輸出電壓變化幅度約為0.3 V；當系統在400 W~800 W變化時，輸出電壓變化幅度約為1 V。整個系統輸出在負載突變的過程中仍能保證輸出電壓的穩定，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切換到放電狀態，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切換到充電狀態。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中，運行結果良好。本研究為太陽能光伏發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.