模塊化雙向直流變換器實驗平臺探索與實踐

張勤進，劉彥呈，牛京威，莊緒洲，劉鳳春，李霄燕

模塊化雙向直流變換器實驗平臺探索與實踐

張勤進1，劉彥呈1，牛京威1，莊緒洲1，劉鳳春2，李霄燕3

（1. 大連海事大學 輪機工程學院，遼寧 大連 116026；2. 大連理工大學 電氣工程學院，遼寧 大連 116026；3. 哈爾濱工業大學 電氣工程及其機動化學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

針對船舶電工學系列課程中電力電子功率變換技術基礎知識的自主學習和創新實踐，開發出一套開放式功率開關變換技術實驗平臺。該實驗平臺由主電路模塊、采樣及驅動模塊、控制系統模塊、仿真系統模塊等構成，可用于變換器的升降壓斬波實驗、功率器件特性實驗、負載特性實驗和創新型實驗等實驗項目，具有自主學習現代電力電子功率開關變換技術、微處理器技術及自動控制原理的實踐教學功能，有利于培養學生獨立學習、創新思維的能力。

船舶電工學；模塊化實驗平臺；功率變換技術；自主式學習

電力電子技術是一門交叉多學科的、致力于解決電能變換和控制的技術。在功率器件、電路拓撲等方面已經日臻完善，控制方法也日趨成熟，成為電氣、自動化、控制等領域的重要技術手段[1-2]。針對電力電子技術的學習，要求有高效的方法和平臺[3-4]，因此模塊化的實驗平臺設計成為一種值得探索和實踐的方法。隨著新能源發電和智能微電網技術的迅速發展，直流變換器的應用更加廣泛[5-7]。為了將科研與教學相結合，方便學生自主學習和創新實踐，實驗室應用模塊化思想，設計了一套雙向直流變換器實驗平臺。該實驗平臺基于現代電力電子技術，采用微處理器技術及半實物仿真驗證手段，融合了控制方法，具有操作靈活性和易學性。該實驗平臺可應用于變換器電能變換實驗、動態性能實驗、創新型實驗。使用這套平臺，可以鍛煉學生動手和仿真建模能力，提升理論水平，在實踐中認知生產實際，培養創新思維[8-11]。

1 模塊化雙向直流變換器實驗平臺

該實驗平臺包括主電路模塊、控制系統模塊、采樣及驅動模塊、仿真系統模塊。主電路模塊可用于能量的雙向傳遞，控制系統模塊與采樣及驅動模塊相結合完成控制要求，實現能量傳遞和控制功能。

1.1 實驗平臺模塊化結構

實驗平臺模塊化結構如圖1所示，能量可以從高壓側直流母線經DC-DC變換器向負載流動，也可由低壓側負載（如蓄電池等饋能性負載）經DC-DC變換器向直流母線流動。能量雙向流動的過程中，使用采樣電路將關鍵狀態量反饋至控制電路，以實施有效控制，使驅動電路按要求驅動主電路中的開關器件工作。控制模塊包括模擬式和數字式，模擬式使用TL494芯片完成傳統的PI控制功能并向驅動電路輸出控制信號，數字式使用STM32芯片完成A/D信號轉換以及控制功能，dSPACE用于控制算法的快速實現和半實物仿真驗證；采樣電路采用霍爾傳感器件，驅動電路使用M57962L芯片，主電路使用全控型IGBT芯片。

圖1 實驗平臺模塊化結構框圖

1.2 實驗平臺功能

該實驗裝置是提供給本科生或研究生自主學習和研究功率變換技術的一套較完整的實踐平臺。在此平臺上，可以開展全控型功率器件工作特性、緩沖吸收及諧振變換技術、無損耗緩沖吸收工作機理、功率開關器件開關過程及損耗計算、功率開關器件驅動控制原理、DC-DC升壓斬波原理、DC-DC降壓斬波原理、雙向升降壓斬波電路工作原理、正弦波脈沖寬度調制技術、開關電源的開環運行方式及閉環控制方法、帶載動態性能實驗、自主均流并聯運行機理及控制方式等一系列實驗和實踐，也可供學生進行創新型實驗，并通過半實物仿真平臺快速驗證可行性。模塊化實驗平臺功能如圖2所示。

圖2 模塊化實驗平臺功能圖

2 模塊化實驗平臺設計與搭建

2.1 主電路模塊

雙向DC-DC變換器結構如圖3所示。主要器件有：全控性IGBT器件S1和S2，以及與其反向并聯的電力二極管D1和D2，儲能電感L，關斷緩沖電路電容C1和C2，濾波電容CH（高壓側）和CL（低壓側）。H、L分別為高壓側和低壓側電壓。該雙向變換器原理如下：

圖3 雙向DC-DC變換器結構圖

當S1導通、S2嚴格關斷時，雙向DC-DC變換器工作在Buck降壓斬波模式，高壓側向低壓側傳遞電能，當S1的觸發脈沖為高電平時，電流路徑為CH—S1—L—CL—CH；當S1的觸發脈沖為低電平時，二極管D2續流，電流路徑為L—CL—D2—L；

當S2導通、S1嚴格關斷時，雙向DC-DC變換器工作在Boost升壓斬波模式，低壓側向高壓側傳遞電能，當S2的觸發脈沖為高電平時，電流路徑為CL—L— S2—CL，當S2的觸發脈沖為低電平時，二極管D1續流，電流路徑為CL—L—D1—CH—CL。

在變換器的工作過程中，控制S1、S2的導通關斷，即可改變能量傳輸方向，調節S1和S2各自的占空比，即可調節輸入輸出電壓變換比。與開關管并聯的電阻和電容起到緩沖關斷電流沖擊的作用，電感L起到儲能與傳遞能量的作用，電容CH和CL起到濾波和穩壓的作用。該主電路模塊能夠較好地滿足雙向能量變換需求，此外，模塊化電力電子實驗平臺還配備DC-AC主電路模塊，以及H橋主電路模塊，可分別用于實現逆變控制和電機驅動控制。

2.2 采樣及驅動模塊

為了取得主電路中實時電壓和電流等數據，以用于反饋閉環控制和數據顯示，設計了精確的采樣電路。采樣電路采用LEM傳感器，每個模塊的輸入和輸出接口，以及模塊內主要參數處設有物理測量點，便于采樣電路和測量儀器對電路各關鍵點狀態量的測量和波形的觀測。主電源模塊、各輔助電源模塊、DC-DC主電路模塊、模擬式控制電路開環控制模塊以及閉環控制模塊、數字式控制模塊，能很好地支持模塊化實驗平臺的各項功能。電源模塊需采集輸出電壓值，主電路模塊采集輸入和輸出端電壓、電感電流值，控制模塊使用采樣信息完成閉環控制。驅動電路采用M57962L芯片，集成了驅動和過電流保護，極大地改善開關器件的靜態和動態性能，保證開關器件充分導通和可靠關斷，降低開關損耗。

2.3 控制系統模塊

控制系統模塊包含模擬式和數字式兩種模式。模擬式控制模塊采用固定頻率脈寬調制控制芯片TL494，采樣模塊對主電路中的電感電流、電容電壓進行采樣，得到的模擬量數據經過信號調理送至控制模塊，經脈寬調制產生PWM（pulse width modulation）脈沖波，完成電壓單閉環控制或電壓電流雙閉環控制。

數字式控制模塊采用高性能STM32F407微處理器，采樣模塊得到的模擬量數據經過信號調理和A/D轉換以滿足STM32對輸入數據的要求，通過對STM32控制器的編程進行實時處理數據，輸出滿足控制要求的PWM波使驅動電路工作，進一步驅動主電路中的開關器件工作。本實驗平臺數字式控制系統結構見圖4。

圖4 數字式控制系統結構框圖

電壓和電流采樣電路使用LEM電壓傳感器、LEM電流傳感器，得到的模擬量信號同時分兩路輸出，一路進行信號調理和A/D轉換，用于實時控制；另一路經過TTL邏輯保護電路，確保驅動電路嚴格輸出1路驅動信號，防止DC-DC變換器的兩個IGBT同時導通，形成短路。溫度傳感器將IGBT散熱器的溫度信號采樣并處理，供顯示和過熱保護使用。

2.4 半實物仿真系統模塊

半實物仿真系統模塊采用德國dSPACE公司開發的一套軟、硬件一體化測試和研發工作平臺，該平臺基于Matlab/Simulink并且能夠與之無縫連接[12]。該仿真系統的軟件部分通過dSPACE中的實時代碼生成和下載軟件RTI（real-time interface），將Simulink中的方框圖自動轉換為用于描述控制系統的C語言代碼，測試軟件ControlDesk能夠訪問RTI產生的變量文件，完成實時硬件和變量的可視化以及在線調整。硬件部分采用DS1103 PPC板卡，具有36路ADC通道、8路DAC通道和4通道8位數字I/O口，集成度高，運算能力強大，可以滿足仿真系統要求。半實物仿真系統結構見圖5，主電路模塊中的電壓信號H、L和電感電流I經過采樣和A/D轉換后，供仿真系統處理，并產生控制信號，快速實現控制效果驗證。

圖5 半實物仿真系統結構框圖

3 實驗項目設計與測試結果

搭建如圖6所示的模塊化電力電子實驗平臺，主要儀器設備有：模塊化電力電子實驗平臺以及相關模塊、計算機以及相關軟件設備、dSPACE硬件電路、負載、用于測量顯示的示波器。主要技術參數指標如表1所示。根據該實驗平臺，設計了多種實驗項目，驗證了平臺的有效性，將教學與研發相結合，提升學生的科研素質。

圖6 模塊化雙向直流變換器實驗平臺

表1 系統參數表

3.1 變換器升壓變換實驗

根據模塊化電力電子實驗平臺中基礎的直流變換電路設計實驗，進行直流電壓升變換，使學生理解模塊化思想在電力電子實驗裝置中的應用和解決問題的方式，加強對基礎知識的掌握，鍛煉學生動手能力。Boost升壓電路的實驗條件為低壓側接入24 V蓄電池，負載為純阻性負載，變換器升壓運行時高壓側的輸出電壓和輸出電流如圖7所示，電壓為72 V，電流為250 mA，且輸出電壓穩定，紋波系數較小，可以滿足負載的功率需求。

圖7 變換器Boost模式實驗波形

3.2 變換器動態性能實驗

變換器進行升壓變換時，啟動過程的輸出電壓和輸出電流如圖8所示，啟動前變換器輸出端電壓為24 V，啟動后升為72 V，輸出電流由100 mA升為275 mA。啟動時間為200 ms，啟動過程平穩，輸出電壓電流超調量小，調節時間短。

圖8 變換器啟動波形圖

變換器進行升壓變換情況下，負載發生突變時輸出電壓、電流的動態特性如圖9所示。負載突變前后，變換器輸出電壓在200 ms內穩定為72 V，電流快速由375 mA降低為275 mA。該過程中輸出電壓和輸出電流超調量小，調節時間短，調整時間在毫秒級以內，變換器連接負載突加或者突減時，動態響應能力較強，放電與充電控制精度較高。

圖9 變換器負載突變波形圖

啟動過程實驗和負載突變實驗表明，該變換器具有較好的動態性能，滿足實驗教學要求。

3.3 創新實驗

設計了使用光伏電池（photovoltaic cell）和直流變換器進行光伏發電和工作模式切換的創新型實驗，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如圖10所示。該模型基于Boost升壓電路，用于實現光伏系統控制策略和工作模式切換。兩種工作模式分別為：最大功率點跟蹤MPPT（maximum power point tracking）模式；恒壓控制CVC（constant voltage control）模式。設定高壓側電壓為100 V，恒壓控制模式中電壓上限值為105 V，蓄電池用于儲能，為其內阻，通過投入和切除負載電阻，模擬設備投切對高壓側的影響。該仿真模型中的偏移控制器用于改變MPPT控制器的工作點，經過滑模控制器調節系統動態性能，最終輸出滿足控制要求的PWM波形，控制主電路中的開關器件工作。

圖10 仿真模型圖

通過dSPACE半實物仿真平臺實現該仿真，結果如圖11所示。進行CVC模式和MPPT模式切換，母線電壓在0.3 s內由105 V降為100 V，光伏電池電壓由61 V降為55 V，切換過程平滑，波動在7%以內，控制效果比較理想。在該實驗的基礎上，學生可進行創新型實驗探索，或者自主設計仿真模型和實驗。

圖11 模式切換波形圖

4 總結

本文設計了一套模塊化電力電子創新型實驗平臺。該平臺基于電力電子功率變換技術，采取模塊化搭建的方式，設計搭建了主電路模塊、采樣驅動模塊、控制系統模塊、半實物仿真模塊，能夠實現多種直流變換實驗項目和創新型實驗。該平臺應用于船舶電氣工程、輪機工程等專業教學中，為本科生在電力電子技術領域的學習打牢基礎，為研究生的進一步學習和實驗研究提供優質平臺，提高學生自主學習的能力，使學生掌握從設計選型、模塊搭建、仿真驗證到創新實驗整個科研流程，提升學生的整體科研素質。

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Exploration and practice of modular bidirectional DC converter experimental platform

ZHANG Qinjin1, LIU Yancheng1, NIU Jingwei1, ZHUANG Xuzhou1, LIU Fengchun2, LI Xiaoyan3

(1. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of Electrical Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. College of Electrical Engineering and its Motorization, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In view of the independent learning and innovative practice of the basic knowledge of electronic power conversion technology in marine electrotechnics series courses, an open power switching technology experimental platform is developed. The experimental platform is composed of the main circuit module, sampling and driving module, control system module and simulation system module, which can be used in step-up and step-down chopper experiment, load characteristic experiment and innovative experiment of converter. It has the practical teaching function of independent learning of modern power electronic power switching technology, microprocessor technology and automatic control principle, which is beneficial to cultivating students’ ability of independent learning and innovative thinking.

marine electrotechnics; modular experimental platform; power conversion technology; independent learning

TM46; G484

A

1002-4956(2019)09-0087-05

2019-01-23

國家自然科學基金項目（51709028）；大連海事大學校教學改革項目（2018Y14）

張勤進（1986—），江蘇鹽城，博士，講師，研究方向為直流綜合電力系統、直流微電網。

E-mail: zqj20@dlmu.edu.cn

劉彥呈（1963—），遼寧大連，博士，教授，博士生導師，研究方向為機電一體化、智能電氣與控制網絡。

E-mail: liuyc3@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.022