光伏發電三端口DC-DC 變換器設計

楊川，余坤蓉，牟琪琦，石浩宏

（重慶機電職業技術大學，重慶璧山，402760）

光伏發電是利用半導體界面的光生伏特效應而將光能直接轉變為電能的一種技術。為提高光伏發電的可靠性、利用率和持續性，需要設計一個三端口DC-DC 變換器，在光伏充足時將多余電能給電池組充電和給負載功能，在光伏不充足時電池組同時放電給負載功能，達到始終穩定輸出一定功率的目的。還需考慮最大能量傳輸和最大效率，在保證穩定輸出的同時盡可能提高光伏利用率，即隨時實現三端口的MPPT（最大功率點跟蹤）。

1 總體方案設計

由于本系統涉及大量的數據處理，MCU采用STM32嵌入式控制芯片，用STM32可以讓電路工作在最高頻率72MHz，速度可達到1.25 dmips/MHz，利用STM32單片機可以從多個字節數快速流暢的訪問到內存，并且不用等待周期，而且可以使兩萬的字節去訪問SRAM。具有雙采樣和保持功能的功能[1]。

由于本設計涉及的電壓較高，數據處理較為復雜，所以采用兩個LM5117四象限同步整流制作雙向DC-DC變換器。采用2個繼電器用于模式切換，一路用于充電DC-DC模塊給電池充電，另一路利用電池通過DC-DC給負載供電。控制基于電流上升模擬。電流調節具有輸入電壓、循環間電壓限制和簡化回路校正的固有功能。使用模擬控制閥可以降低脈寬調制開關對噪聲的靈敏度，并允許可靠地控制高壓應用所需的最小控制周期[2]。

設計兩種工作模式，模式1由光伏給電池充電和穩定輸出30V、1.5A，模式2光伏能量不足時由光伏和電池同時給輸出供電，穩定輸出30V、1.5A。系統總體方案如圖1所示。

圖1 雙向DC—DC變換器系統圖

2 核心電路設計

2.1 基于LT8705的四象限主DC-DC設計

LT8705是一種與同類產品而言功能更強大、性能更好的開關穩壓控制器，此控制器工作時，由于采用了四象限開關技術，可以自動實現升壓和降壓模式無縫切換，保證輸出端電壓或電流穩定。將輸入端的電流、電壓和輸出端的電流、電壓組合形成集成反饋回路。其效率高達99%。本設計中用于末級穩定30V輸出。

2.2 基于LM5117的雙向DC-DC設計

LM5117是TI公司出品的一款高效率集成DC-DC控制器，LM5117是一種同步降壓控制器，可作為有高壓或不同輸入電源的降壓調節器使用。同時具有包括頻率同步、間歇模式功率限制和可調低壓鎖定等功能。非常適合用于本系統的雙向DC-DC設計。采用基于電流模式使用模擬電流量長度控制的控制方法。電流調節具有輸入、循環間電壓限制和簡化的回路校正等作用。通過使用模擬控制閥來控制，可以降低噪聲對脈寬調制開關的干擾，并允許可靠地控制高壓應用所需的最小控制周期。實測設計的雙向DC-DC電路最高效率可達98%[3]。

2.3 基 于LTC3780的輔助DC-DC設計

圖2 基于LT8705的四象限主DC—DC設計

圖3 基于LM5117的雙向DC—DC設計

輔助電源為單片機和運算放大器、切換電路、采樣電路等輔助電路供電。由于系統整體高效率的要求及光伏輸入的不穩定性，采用LTC3780作為輔助DC-DC設計，LTC3780開關控制器是一種高效、同步的四個降壓-升壓型控制器，具有同步整流、效率高達98%、功率模式控制、輸出電壓保護、穩定輸出的電壓、驅動輸入輸出電流、具有良好的線性關系等等。作為輔助電源，如圖4所示。

圖4 基于LTC3780的輔助DC—DC設計

3 程序設計

3.1 主程序設計

通過采集當前實際電壓U11與給定的設置電壓相比較，若發現當前實際電壓與設置電壓不同，就利用PID算法改變當前單片機的輸出電壓,，使其向目標設置電壓靠近。利用當前偏差值和歷史偏差值總和，與最近兩次偏差之差組成比例算法、積分算法、微分算法。用比例調整它實際電壓趨近于設置電壓，用積分算法消除系統的余差，用微分算法作超前調節的作用。并且通過PID實時調節當前實際電壓值，減小誤差，接近設置的電壓值[4-5]。

通過對實際電壓的采集，STM32單片機利用模數轉換，將模擬量轉化為數字量，使單片機將采集的當前實際電壓與我們設置電壓相比較。若當前實際電壓小于設置電壓，則通過PID算法對電壓進行實時的增加，直至當前實際電壓大于等于設置電壓時停止；若當前實際電壓大于設置電壓，則通過PID算法對電壓進行實時的減少，直至當前實際電壓小于等于設置電壓時停止。最后通過數模轉換，將數字量變成模擬量，增加電壓或減少電壓，使當前實際電壓最后等于設置電壓。

3.2 PID算法設計

由PID控制程序框圖，可以知道它的傳輸函數為：

但在程序中，我們只能在時域離散表達式之后編寫算法。因此，將上述公式轉換為時域表達式：

圖5 程序工作流程圖

我們需要在計算機中對該公式進行編程，而上述公式是一個連續時間表達式，因此我們只能將其離散化，推導出他的差分方程如下所示：

通過對PID算法的運用，將算法用于程序中：pid.En=pid.set-pid.curr（本次誤差）；dk1=pid.En-pid.En_1（本次偏差與上次偏差之差）；dk2=pid.En-2＊pid.En_1+pid.En_2; t1=pid.Kp＊dk1;t2=(pid.Kp＊pid.Tsam)/pid.Ti;t2=t2＊pid.En;t3=(pid.Kp＊pid.Td)/pid.Tsam;t3=t3＊dk2; pid.Dout=t1+t2+t3（本次應該輸出的增量）；pid.currpwm+=pid.Dout（本次應該輸出的PWM）。通過輸出的PWM的脈寬來調節電壓輸出的大小，從而精確調節電壓的大小。

4 系統測試及測試結果

測試實驗設備及儀器：六個新型數字萬用表，一個可調直流開關穩壓電源，一個可調直流電子負載。利用直流電源作為模擬光伏輸入進行測試。

工作模式1中，當Us=50V、Io=1.2A時，輸出電壓始終穩定在30V±0.01V，IB的電流都是大于0.5A。證明實時在給電池充電。

工作模式1中，當Io=1.2A時，Us由45V增加至55V時，輸出電壓始終穩定在30V±0.01V，可以得出電壓調整率Su≤0.5%，符合所需要求。

Io=1.2A時，模擬光伏降低，Us由55V減少至25V，輸出電壓始終穩定在30V±0.01V,變換器能夠從模式Ⅰ自動轉換到模式II，由表格測試數據可以得出，偏差≤0.1V,電壓調整率Su≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，Us=50V、Io由1.2A減小至0.6A時，輸出電壓始終穩定在30V±0.01V，由以上試驗數據中可以計算得到負載調整率為SI≤0.5%。

當Us=50V、Io由1.2A減小至0.6A時，輸出電壓始終穩定在30V±0.01V，變換器能夠從模式II自動轉換到模式Ⅰ,負載調整率SI≤0.1%。

在工作模式Ⅰ中，當Us=50V、Io=1.2A時，滿足輸出電壓Uo=30V±0.01V，變換器效率≥96%。

在工作模式II，當Us=35V、Io=1.2A時，Us由55V減少至25V，始終滿足輸出電壓Uo=30V±0.1V，變換器效率≥96%。

5 結束語

通過多次測試，本文設計的光伏發電三端口DC-DC 變換器實現了所需功能和要求。模擬光伏電池向負載供電的同時為電池組充電工作模式1，和模擬光伏電池和電池組同時為負載供電的工作模式2，可以根據Us的大小和負載情況，使變換器可以安全工作時進行模式I與模式II的自動無縫轉換。在測試的全過程中，輸出電壓Uo也一直穩定保持在30V±0.1V，整機效率大于96%。