帶超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺

馮興田，張 磊，高春俠

（中國石油大學（華東）信息與控制工程學院，青島 266580）

電力電子技術是使用電力電子器件對電能進行變換和控制的技術，作為一門強弱電結合的學科交叉技術，已經成為電氣、自動化、電子、機電等學科專業的重要課程，要求具有很強的動手實踐能力和分析解決問題的能力[1-2]。電力電子技術的核心內容為交流和直流相互間的4種電力變換，而直流/直流（DC/DC）變換是指將直流電變為另一種固定直流電壓或可調直流電壓的電力變換。隨著新能源發電和儲能技術的飛速發展，DC/DC變換器的作用日益突出[3-5]。為了將DC/DC變換器的理論教學與實踐教學緊密結合，并融入一定的科研思想，實驗室開發了基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺。

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺主要由儲能單元和雙向DC/DC變換器構成。儲能單元由多個超級電容器構成模組實現。雙向DC/DC變換器將降壓Buck電路和升壓Boost電路有機結合在一起，實現能量的雙向流動，該系統在饋能性負載、能量備用、快速輸出能量調節、光伏發電等新能源發電中應用較為廣泛[6-8]。通過該實驗平臺，學生在提高仿真實驗分析能力和綜合實踐能力的同時，也可深刻體會電力電子技術在實際生產中的應用。通過理論結合實踐的訓練，促進以學生為中心的實踐教學，提升學生的創新能力和科研能力[9-11]。

1 基于儲能的雙向DC/DC變換器實驗系統

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統主要包括主電路系統和控制系統兩大部分。主電路系統實現能量的傳遞，控制系統根據控制要求，通過數據采集、數據處理、控制輸出等過程，完成系統的功能開發。

1.1 實驗平臺系統結構

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗系統如圖1所示。超級電容器儲能單元與雙向DC/DC變換器實現能量雙向流動，雙向DC/DC變換器與負載（饋能性負載等）實現能量雙向流動，因此對于儲能單元的荷電狀態和雙向DC/DC變換器需要進行有效控制。數字信號處理器DSP28335控制器采樣儲能單元的電壓電流參數以及雙向DC/DC變換器的輸出電壓電流參數，通過DSP計算處理與數據分析，實現滿足控制策略的輸出，經過驅動單元控制構成雙向DC/DC變換器的全控型電力電子器件，從而實現負載上的能量緩沖和電壓穩定。

圖1 基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗系統框圖Fig.1 Experimental system diagram of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

1.2 雙向DC/DC變換器設計與結構原理

雙向DC/DC變換器結構如圖2所示，主要包括全控型電力電子器件S1、S2以及與其并聯的電力二極管 D1、D2，儲能電感L，濾波電容C1、C2，等效電源V1、V2及其等效內阻RS1、RS2。其工作原理如下：S1、S2的觸發脈沖互補，如圖3所示；t0＜t＜t1時，IL＜0 ，電路工作于Buck降壓模式，二極管 D2續流，電流路徑為 D2-L2-C1-D2；t1＜t＜t2時，IL＞0，GS2＞0，開關器件 S2導通，電路工作于Boost升壓模式，電流路徑為 S2-C1-L-S2；t2＜t＜t3時，IL＞0 ，GS2＜0 ，開關器件 S2關斷，二極管 D1續流，電路工作于Boost模式，電流路徑為L-D1-C2-C1-L ；t3＜t＜t4時，IL＜0 ，GS1＞0 ，開關器件 S1導通，電路工作于Buck模式，電流路徑為L-C1-C2-S1-L；t=t4時，進入下一周期的循環。

電路工作在Buck模式時，IL＜0；電路工作在Boost模式時，IL＞0，電流的雙向流動意味著能量可在V1和V2之間雙向傳遞。儲能電感L發揮能量傳遞與緩沖的作用，電容C1、C2發揮濾波穩壓的作用。

圖2 雙向DC/DC變換器結構Fig.2 Structure of bidirectional DC/DC converter

圖3 雙向DC/DC變換器工作原理Fig.3 Working principle of bidirectional DC/DC converter

1.3 儲能單元設計

常規控制下，超級電容儲能單元為備用能量，負載另有其他設備提供。當超級電容器電壓小于給定荷電電壓狀態時，超級電容器會經過雙向DC/DC變換器從直流母線吸收能量，直到超級電容器電壓達到給定荷電電壓時，雙向DC/DC變換器停止工作；當負載側能量動態變化時，雙向DC/DC變換器投入工作，快速輸出/吸收能量，補償負載的能量波動，保證負載的電壓電流穩定。

由于超級電容單體的耐壓值大約為2.5 V，超級電容器儲能單元通常由多個超級電容器單體串并聯構成模組使用。超級電容器的數量通常由輸出電壓等級、儲存能量大小、能量釋放比例等來決定。通常情況下，超級電容存儲的能量為最大存儲能量的67%，超級電容吸收或釋放的能量大約為超級電容儲存能量的33%，根據這些要求可以計算出所需超級電容器的數量和容量。

1.4 控制系統

根據基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統的工作原理，設計了如圖4所示以數字信號處理器DSP28335為核心的控制系統，主要包括采樣電路、信號調理電路、A/D轉換電路、DSP控制器和驅動緩沖電路5個單元[12]。

DSP控制器采用德州儀器公司（TI）的TMS320F28335作為核心，變流器的輸入輸出電壓和電流通過高精度電阻分壓進行數據采樣，經過差分運放器AD620構成的信號調理電路，匹配A/D轉換器MAX125的輸入要求，通過A/D轉換器變成數字量。根據實時跟蹤實際需求，DSP進行數據分析處理，實現高頻濾波器、數字調節器的設計，進行數字閉環調節控制，生成脈寬調制PWM（pulse width modulation）輸出脈沖序列，再經過驅動緩沖電路提供雙向DC/DC變換器的驅動信號，同時針對出現的故障問題予以保護，對輸出電壓和電流予以限制。

圖4 控制系統框圖Fig.4 Control system diagram

驅動緩沖電路由IR公司生產的IR2110實現，IR2110驅動器兼有光耦隔離（體積小）和電磁隔離（速度快）的優點，是中小功率變換裝置中驅動器件的首選。IR2110具有的自舉懸浮驅動電源，很大程度上簡化了驅動電源設計，只用一路電源即可完成上、下橋臂兩個功率開關器件的驅動。

2 實驗平臺設計實施與運行管理

針對基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器系統，搭建了實驗平臺。本文以Boost升壓模式為例，對系統控制策略進行了分析，設計開發了多種實驗項目，開展實驗教學改革，進而提升學生的動手實踐能力、科研創新能力和分析解決問題的能力等[13-15]。

2.1 仿真系統搭建

實驗系統首先應用電力仿真軟件PSIM，在仿真環境下，通過選取、連接并設置相應的電路元件，搭建系統進行仿真分析。仿真系統簡化電路如圖5所示，其中，ISEN、VSEN分別為電流傳感器和電壓傳感器；VSC、Vout分別為超級電容等效電壓和輸出電壓；PI為比例積分調節器。仿真系統中控制部分采用了比例積分加限幅的控制方法，PWM生成采用了載頻三角波比較法，學生可根據要求繼續搭建功能更完善的仿真系統，也可以改進控制策略。

圖5 仿真系統簡化電路Fig.5 Simplified circuit of simulation system

圖6為電壓和電流仿真波形，uo為雙向DC/DC變換器輸出電壓波形，給定設定值100 V；iR為負載電流，給定初值10 A，uC為超級電容器電壓。圖6（a）中uo等于設定值且保持穩定，iL為流過電感L的電流，通過局部放大的波形可以看出，電感充放電過程中該電流的變化特性。圖6（b）為負載電流在±5 A波動時各變量的仿真波形，uo仍能維持給定值不變，局部放大波形說明超級電容電壓uC隨之波動，體現出雙向運行時充放電的特性，從仿真波形可以驗證控制策略的可行性。

圖6 電壓和電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of voltage and current

通過該仿真系統，學生可以靈活地開展仿真設計與分析，提高發現問題、分析問題、解決問題的能力。通過設置電源和負載的特性，可以分析Buck電路、Boost電路和雙向電路變換的特點；通過設置濾波電容的參數，可以觀察輸出電壓的穩定性；通過改變PI調節器的參數，可以分析輸出電壓調節的快速性和穩定性；通過設置超級電容容值和初始電壓參數，可以分析輸入輸出電壓的變化關系以及超級電容器的電壓、容量要求；通過檢測功率器件的電壓電流值，可以提供器件選型的依據；通過設計先進的控制策略，可以充分發揮學生的創新能力。

2.2 實驗平臺設計與實施

1）實驗平臺儀器

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺除了開發的控制器和雙向DC/DC變換器之外，實驗所需的儀器設備主要包括：超級電容器模組、充電機（為超級電容器模組預充電）、DSP28335仿真器以及帶有CCS仿真環境的計算機、數字示波器（測試電壓電流波形）、數字萬用表（電量監測）、功率電阻/阻感負載、開關電源（控制器供電），如圖7所示。系統主電路元器件參數：超級電容器等效電容初始電壓為50 V；輸出給定電壓設為100 V；儲能電感L為80 μH；輸出濾波電容C為820 μF；開關器件選擇功率場效應晶體管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor），型 號 為 IR?FP260。

圖7 基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺Fig.7 Experimental platform of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

2）實驗操作步驟

實驗操作步驟如下：超級電容器模組作為雙向DC/DC變換器的輸入，電阻負載作為雙向DC/DC變換器的輸出，DSP控制器作為雙向DC/DC變換器的控制單元，首先進行線路連接，包括弱電的采樣與輸出控制以及強電的主電路單元；通過充電機為超級電容器模組預充電至工作電壓，控制器上電工作，輸出觸發脈沖控制雙向DC/DC變換器開關管的導通與關斷，實現相應的控制策略；通過采樣校正、調整PI參數等環節達到預期控制目標；通過示波器測試相關的電壓電流波形，觀察相關電量的過渡過程，記錄實驗波形和數據，分析實驗現象。

3）實驗結果分析

圖8為測試的電壓和電流實驗波形。圖8（a）中uo保持穩定，但在開關頻率處有尖峰干擾，需進一步處理；iL實驗波形與原理分析波形一致，驗證了電路原理和控制策略；iR運行平穩。圖8（b）中iC為超級電容器電流，iC＜0時為充電過程，反之為放電過程，實現了能量雙向流動，且動態過程變化迅速，uo在雙向DC/DC變換器投入工作后迅速穩定在給定值。

圖8 實驗波形Fig.8 Experimental waveforms

2.3 平臺實踐項目設計與能力培養

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺能夠實現多個實驗項目的開發設計，使學生得到多方面的訓練，大幅提高學生的動手實踐能力和科研創新能力。

1）Buck與Boost電路實驗

電力電子技術課程中最基本的兩種DC/DC變換電路，通過該仿真與實驗平臺，學生對這兩種電路的工作原理與控制策略有更深層次的認識；通過對實際電路中的儲能電感、濾波電容以及開關管等元器件的參數計算與選型，深刻認識了工程實踐的特點，充分體現了理論聯系實際能力和動手實踐能力的培養。

2）超級電容器儲能實驗

通過超級電容器儲能的結構特點、模組設計、容量計算和功能分析，并結合光伏發電等新能源技術的應用，可以拓展學生的設計應用思維，可以讓學生自行設計部分電路，用于大學生創新創業實踐活動中，培養鍛煉學生的創新實踐能力和科研分析能力。

3）電力仿真軟件PSIM應用實驗

PSIM軟件是專用于電力電子技術的仿真軟件，其操作簡單實用、運行速度較快。通過學習使用該軟件，對于提高學生的電路設計與分析能力，有很大的幫助。同時，讓學生從中學習和體會仿真電路和實驗電路的設計區別與聯系，逐步形成電路設計、原理分析、仿真建模、實驗驗證的工程設計流程，培養學生對工作和科研應具有的認真嚴謹的態度。

4）DSP功能開發實驗

實驗平臺的控制器作為一個完整的控制系統，包含了I/O的基本操作、外部A/D轉換器的接口應用、PWM的產生等，通過設計DSP28335的軟硬件系統，熟練掌握控制器的開發過程。在此基礎上，不斷精簡程序設計，提高DSP的工作效率，增強程序的可讀性，為后續的功能拓展留下鋪墊。這就需要不斷的調試練習，能夠培養學生不斷進取、鍥而不舍的精神。

5）波形和數據的分析

在仿真和實驗過程中，通過修改參數，可以得到大量的實驗波形和實驗數據，能夠根據這些波形和數據，準確分析存在的問題并找到解決方法，需要具有很強的分析能力。例如，圖7中出現的電壓尖峰，需要通過大量的分析、調試，最終解決問題。這要求學生熟練掌握系統原理和控制策略，認真對比原理分析與仿真實驗結果的區別與聯系，從中找出問題所在，再有針對性的提出改進措施。通過訓練，學生可以不斷提升自己的分析能力，并能促進創新思想的萌發。

3 結語

基于超級電容儲能的雙向DC/DC變換器實驗平臺的設計，加深了學生對電力電子電路的理解和認識，促進了學生應用實踐能力和創新實踐能力的培養。通過系統主電路和控制電路的設計、搭建仿真系統、實驗系統參數設計、軟件編程等一系列的訓練，能夠有效促進學生設計分析能力和仿真實踐能力的提升，并培養學生積極的工作科研精神。該平臺在多項校級教改項目的資助下，已在我校電氣工程及其自動化專業教育部“卓越工程師培養計劃”的創新實踐教學中投入使用。