摘 要：介绍了独立太阳能光伏发电的意义，采用非隔离型Boost/Buck拓扑结构为主电路拓扑，重点分析了主电路的工作原理。设计了基于TMS320LF2812的控制系统硬件电路、控制系统软件及数字PID控制器，给出了基于数字化控制的双向DC-DC变换器的充放电试验、升降压快速切换试验及其技术参数。数字化控制双向DC-DC变换器实现了太阳能板、蓄电池二者之间的稳定充放电及其快速切换。
关键词：光伏发电； 双向DC-DC变换器；TMS320F2812； 数字PID
太阳能光伏发电是未来能源利用的一大趋势，逐渐得到广泛应用。双向DC-DC变换器作为光伏发电系统中重要的功率变换装置，越来越引起国内外研究者的关注。双向功率变换是一个复杂的多输入多输出非线性系统，传统的模拟控制技术已不能满足快速多特性控制，因此研究太阳能光伏发电用全数字化控制双向DC-DC变换器具有十分重要的学术意义和应用前景。
双向DC-DC变换器分为主电路和控制系统两部分，主电路实现能量的双向流动和变换，控制系统实现光伏系统升降压特性和光伏系统中蓄电池的充电模式、放电模式及其快速切换等控制算法。
1 双向DC-DC变换器的主电路构成
双向DC-DC变换器主电路分为隔离型和非隔离型两大类。隔离型主电路拓扑以全桥或半桥电路为主，其缺点十分明显，开关数量多，控制复杂，效率相对低下。以Boost/Buck双向DC-DC变换拓扑结构为代表的非隔离型克服了这些缺点[1]。因此采用非隔离的Boost/Buck双向DC-DC变换拓扑结构为变换器主电路结构。
主电路电路拓扑如图1所示，图中UBAT为蓄电池组低压侧，UVBUS为太阳能阵列高压侧。图中S和/S为功率开关管IGBT，D和/D为续流二极管，C1和C2为滤波电容，L为储能电感，L0和/L0为高频扼流环，D1、D2、L1、C0和/D1、/D2、/L1、/C0分别组成了Boost和Buck软换流支路。
1.1 主电路Boost支路工作原理
当开关管S导通时，电流流经L和S，在此时间内L存储能量，负载端由C2提供能量。当S截止时，蓄电池和L释放能量，向滤波电容C2提供充电电流和负载提供输出电流。
在此支路中，通过高频扼流环L0抑制主功率二极管D的反向恢复电流，实现S由截止转为开通，D由导通转为截止过程的可靠换流；通过D1、D2、C0、L1支路抑制S的关断尖峰电压，实现S由开通转为截止，D由截止转为导通过程的可靠换流，存在于高频无感电容C0中的能量通过D2、L1放电到负载，从而实现了Boost支路的软换流。
1.2 主电路Buck支路工作原理
当开关管/S导通时，电源通过/S和L为负载提供能量，并为L存储能量；当/S截止时，L和C1为负载提供能量，经续流二极管/D形成回路，直到下一周期/S再次导通。
在主功率开关管/S截止的瞬间，/C0吸收关断电压尖峰，并通过/D2、/L1和负载形成的回路释放/C0中的能量；在/S导通的瞬间主功率二极管/D截止，高频扼流环/L0扼制了主功率二极管的反向恢复电流,实现了/S由截止到开通、D由开通到截止的可靠换流。
2 基于TMS320F2812数字化控制电路硬件
本设计采用的TMS320F2812DSP芯片是TI公司新推出的一款功能强大的32 bit定点DSP，整个控制电路硬件组成如图2所示，主要功能如下：
(1)AD采样：电压、电流传感器从主电路中采样回电压电流信号,经过信号调理电路将信号值调节到0~3 V，再将其送至TMS320F2812芯片内部集成的12 bit AD转换器。
(2)PWM驱动电路：TMS320F2812产生的PWM信号，经光耦隔离，并经功率放大后驱动IGBT。
(3)保护电路：包括软件保护和硬件保护两个部分。软件保护电路主要防止太阳能电池阵列过压和过流、蓄电池组过压和过流。硬件保护电路主要保护主功率器件的过压和过流，通过逻辑门电路连至DSP2812的驱动保护引脚。
(4)控制电路电源：包括控制电路电源和驱动电路电源，主要为控制电路和驱动电路提供电源。
(5)其他电路：除以上所述的电路外，控制板上还集成有CAN通信电路、RS-232通信电路、时钟芯片电路、按键及显示电路等。
3 控制系统软件设计
3.1 控制软件程序
控制软件主要包括：ADC中断服务子程序、充放电控制子程序、数字PID调节算法子程序、CAN及RS-232通信子程序。
双向DC-DC变换器在充、放电模式切换时，即电流换向过程中，PID控制器由于给定值的存在会引发变换器功率冲击，而增量式PID控制器由于不存在给定值，可以实现无冲击启动或停止。
4 试验结果及分析
4.1 充电模式试验
双向DC-DC变换器工作于充电模式时，控制系统在恒流限压阶段实现数字PID电流闭环调节，恒压充电阶段实现数字PID电压闭环调节， 实验所采集波形如图3所示。图3(a)、(b)分别表示充电电流波形和蓄电池端电压波形。
在恒流充电阶段，充电电流稳定， 电流脉动约为0.2 A；恒压充电阶段，蓄电池组端电压稳定在32 V，电流脉动约为0.8 A。
4.2 放电模式实验
当系统工作于放电模式，控制系统实现恒压输出数字PID闭环调节，实验波形如图4所示。
由图4可知，当系统输出功率在200 W~400 W变化时，输出电压变化幅度约为0.3 V；当系统在400 W~800 W变化时，输出电压变化幅度约为1 V。整个系统输出在负载突变的过程中仍能保证输出电压的稳定，能够满足用户要求。
4.3 充放电模式切换实验
通过检测太阳能电池阵列输出电压大小，判断双向DC-DC变换器工作模式。充放电实验波形如图5所示。由图5(a)看出，当输入电压小于40 V时（实测输入电压39.35 V），工作模式切换时间约为100 μs，蓄电池组可由充电状态切换到放电状态，一般家用电器在断电不超过10 ms时完全可以正常工作；图5(b)可知，当输入电压大于40 V时，经过约2 ms蓄电池组可由放电状态切换到充电状态。因此，双向DC-DC变换器能够识别光伏电池阵列端电压的大小，自动快速地切换充、放电模式，满足了预期设计目标。
理论分析和实验结果表明，所研究双向DC-DC变换器实现了能量的双向流动，增量式数字PID控制算法实现了对蓄电池的恒压、恒流可靠控制，输出电压电流静动态特性良好，充放电模式切换时间小于2 ms，满足使用要求。该变换器已应用到独立太阳能光伏供电系统中，运行结果良好。本研究为太阳能光伏发电配套设备的研究和工程应用奠定了的技术基础。
参考文献
[1] 李 艳，阮新波，杨东升，等. 带缓冲单元的多输入直流变换器电路拓扑[J].电工技术学报，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.