基于模型化编程的双向DC_DC变换器创新实验平台_刘桂正.pdf

实 验 技 术 与 管 理 第 40 卷 第 8 期 2023 年 8 月 Experimental Technology and Management Vol.40 No.8 Aug.2023 收稿日期:2023-02-22 基金项目:青岛科技大学 2022 年教学改革研究项目（2022KTJXGG09）；青岛科技大学研究生自主科研创新项目（S2022KY018）。作者简介:刘桂正（1998），男，山东滕州，硕士研究生，主要研究方向为电力电子及电力传动，。通信作者:李振伟（1991），男，山东青岛，硕士，讲师，主要研究方向为电力电子系统控制技术，。引文格式:刘桂正，陈为，李振伟.基于模型化编程的双向 DC/DC 变换器创新实验平台J.实验技术与管理,2023,40(8):183-189.Cite this article:LIU G Z,CHEN W,LI Z W.Innovative experimental platform for bidirectional DC/DC converters based on modeled programmingJ.Experimental Technology and Management,2023,40(8):183-189.(in Chinese)ISSN 1002-4956 CN11-2034/T DOI:10.16791/ki.sjg.2023.08.027 基于模型化编程的双向 DC/DC 变换器创新实验平台 刘桂正，陈 为，李振伟（青岛科技大学 自动化与电子工程学院，山东 青岛 266061）摘 要：能源互联网中存在越来越多诸如电动汽车等具有“源”“荷”双重身份的电力设备，这类设备大多采用双向 DC/DC 变换器实现双向功率流动。为了使实验教学紧跟专业技术发展前沿，结合双向 Buck-Boost电路和模型化编程手段，完成了双向 DC/DC 变换器创新实验平台的设计。以电感电流为参考分析了Buck-Boost 电路的双向工作模态，对实验平台硬件电路进行了详细设计，并介绍了典型控制策略的模型化软件设计。在此基础上，设计了光伏发电最大功率点跟踪（MPPT）控制实验案例。典型控制实验和光伏发电MPPT 控制实验结果验证了实验平台的软硬件设计，也体现出平台的灵活性。关键词：双向 DC/DC 变换器；模型化编程；Buck-Boost；创新实验平台；光伏发电；最大功率跟踪 中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1002-4956(2023)08-0183-07 Innovative experimental platform for bidirectional DC/DC converters based on modeled programming LIU Guizheng,CHEN Wei,LI Zhenwei(College of Automation and Electronic Engineering,Qingdao University of Science and Technology,Qingdao 266061,China)Abstract:There are more and more power equipment with“source”and“load”dual identities such as electric vehicles,and most of these devices use bidirectional DC/DC converters to achieve bidirectional power flow.In order to keep the experimental teaching up to date with the forefront of professional technology development,the design of the innovative experimental platform of bidirectional DC/DC converter was completed by combining the bidirectional Buck-Boost circuit and modeled programming methods.The bidirectional operating mode of the Buck-Boost circuit is analyzed with the inductor current as a reference,the hardware circuit of the experimental platform is designed in detail,and the modeled software design of typical control strategies is introduced.On this basis,an experimental case of maximum power point tracking(MPPT)control of photovoltaic power generation is designed.The results of typical control experiments and MPPT control experiments for photovoltaic power generation verify the hardware and software design of the experimental platform,and also reflect the flexibility of the platform.Key words:bidirectional DC/DC converter;modeling programming;Buck-Boost;innovation experiment platform;photovoltaic power generation;maximum power tracking 在能源危机及全球环境污染背景下，可再生能源作为一种新型的清洁能源受到广泛青睐1。经过不断建设和发展，我国的清洁能源利用率逐年提高，能源结构不断优化2。由于可再生能源分布较为分散，电力系统正由集中式向分布式方向发展，能源互联网概念应运而生3-5。在能源互联网中，分布式电源和负载像网络节点一样参与其中。而储能、电动汽车等新型负载同时扮演着“源”和“荷”的角色，使得电力系184 实 验 技 术 与 管 理 统中的一些节点呈现双向功率流动特点。在这些节点中，双向功率变换器起功率双向调控作用，在光伏发电、储能、电动汽车、直流微电网等应用中，得到了广泛应用6-8。在电气工程相关专业开展基于双向 DC/DC 变换器的实验教学与科研工作对促进能源互联网发展具有重要意义。在诸多双向 DC/DC 变换器中，以 Buck-Boost 拓扑为基础的非隔离型双向 DC/DC 变换器由于具有结构简单、成本低、效率高等优点，在中小功率场合尤为常见9。此外，Buck-Boost 拓扑可通过对开关管驱动信号的调整实现工作模式及电能转换方向的无缝切换，非常适合开展储能相关的创新实验教学。创新实验的重要目标是发散思维、开拓创新，设置灵活多变的实验条件是基础。在双向 Buck-Boost 拓扑基础上，对其采用数字控制能够极大地提高实验平台的灵活操作性能。基于数字控制器，通过编程方式设计多种控制策略，可实现对主电路的灵活控制，从而开发出丰富多样的实验内容。模型化编程是一种通过可视化界面进行代码生成的方式，具有操作简单、直观、规范、容易移植等优点，尤其适合用于创新实验教学10。本文基于双向 Buck-Boost 变换器，利用 MATLAB/Simulink 软件的模型化编程工具，设计了双向 DC/DC变换器创新实验平台。首先对双向 Buck-Boost 变换器的工作原理进行了概述，然后进行了实验平台的软硬件设计，开展了典型实验。最后，基于该平台设计了光伏发电 MPPT 跟踪控制实验，对实验内容和实验结果进行了详细分析。1 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器介绍 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器拓扑结构如图 1所示，图中 C1、C2为并联电容，L 为滤波电感，Q1、Q2 为增强型场效应管 MOSFET，a+和 a分别是高压侧正、负端口，b+和 b分别是低压侧正、负端口，Ua是高压侧电压，Ub是低压侧电压，iL是电感电流，规定电感电流的正方向为从左向右。非隔离型双向 Buck-Boost 变换器有三种工作模 图 1 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器拓扑结构 式，分别是 Buck 模式、临界模式和 Boost 模式，各个模式下的典型工作波形如图 2 所示。变换器开关管 Q1和 Q2 互补导通，驱动信号高电平表示 Q1 导通，低电平表示 Q2 导通。如图 2 所示，Buck-Boost 电路的电感电流 iL在 Q1 导通、Q2 关断时增大，反之则减小，这反映的是电路的工作模态。此外，电感电流可正可负，其平均值可作为区分功率流动方向的依据。图 2(a)给出了变换器工作在 Buck 模式的电感电流波形，平均值大于零，说明功率由高压侧向低压侧流动。图 2(c)给出了变换器工作在 Boost 模式的电感电流波形，平均值小于零，说明功率由低压侧向高压侧流动。图 2(b)表示出变换器工作在临界模式时的电感电流波形。在临界模式下，电感电流瞬时值可正可负，变换器在Buck 模式和 Boost 模式之间无缝切换，平均电流决定了实际功率的流动方向。图 2 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器的三种工作模式 2 实验平台硬件设计 2.1 整体设计 双向 DC/DC 变换器创新实验平台的整体框图如图 3 所示，包括硬件部分和软件部分。硬件部分由双向 Buck-Boost 主电路、主控器件、采样电路、驱动电路、辅助电源、保护电路、串口通信电路等构成。双向 Buck-Boost 主电路的作用是实现功率变换。主控器件通过采样电路获取主电路电压、电流信号，执行控制算法以生成 PWM 控制信号，后经驱动电路控制开 刘桂正，等：基于模型化编程的双向 DC/DC 变换器创新实验平台 185 关管的开关动作。辅助电源用于为各部分电路供电，保护电路实时监测主电路工作情况以实现过压、过流等故障保护。串口通信电路负责与上位机的通信，实现控制指令的下达及变换器工作状态上传。本文根据实验内容要求而设计的实验平台主要参数见表 1。图 3 双向 DC/DC 变换器实验平台的整体框图 表 1 实验平台主要参数 参数 数值 Ua/V 48 Ub/V 24 P/W 200 fs/kHz 100 Ua/V 0.1 Ub/V 0.1 2.2 主电路参数设计 由第 2.1 节可知，电感电流决定主电路的工作模式，而电感的数值对其电流波形具有较大影响。为保证功率的连续性，降低电流纹波，本文把双向 Buck-Boost 主电路设计为工作在电流连续模式。当主电路工作在 Buck 模式，为保证电流连续，则滤波电感值应满足：50.5212.88 10HsabbaDDT U UULPU-=-=|（1）式中，P是变换器额定功率；D是PWM波的占空比；Ts是PWM波的周期。当主电路工作在Boost模式，保证电感电流连续的滤波电感值应满足：2583.413 10H27saT ULP-=（2）结合式（1）、式（2），并保留一定裕量，本文中将电感取值确定为60 H。主电路中的电容影响输入、输出电压的纹波。若低压侧和高压侧的电压纹波系数定为=（3）2524.286 1032a sbU TCFL U-=（4）考虑一定裕量，本文中高压侧滤波电容值取为330 F，低压侧滤波电容值取为47 F。对于主电路中的开关管Q1、Q2，需要根据其在电路中工作时所承受的最高电压、最大电流，结合其开关特性选取。在本文中，考虑安全裕量和后续扩展需求，选择耐压值为200 V、连续导通电流为65 A的MOSFET。2.3 采样电路设计 实验平台主电路两端电压采用差分采样方式，采样电路如图4(a)所示。图中R1=R3、R2=R4，因此电压采样电路的转换关系为：()2o1RUUUR+-=-（5）式中，Uo为电压采样电路的输出值，U+表示正端口电压值，U表示负端口电压值。图4(b)为电流采样电路原理图，图中R5=R7、R6=R8。首先使用双向霍尔式电流传感器对电感电流进行采样，然后经过运算放大器进行差分处理。假设电流传感器的灵敏度系数为k，考虑1.65 V偏置电压，则电流采样电路的信号转换关系为：6o5(1.65)LRIk IR=+（6）式中，Io表示电流采样电路的输出值，IL表示电感电流。图 4 采样电路设计 2.4 开关管驱动电路设计 根据图1，为实现对主电路开关管的灵活配置，实验平台采用了两路独立驱动芯片Si8235构成开关管驱动电路。该驱动芯片具有较强的驱动能力，且配合隔离电源模块可以实现主电路与控制电路之间的隔186 实 验 技 术 与 管 理 离。开关管驱动电路如图5所示，图中PWM2A、PWM2B分别为主电路Q1、Q2的PWM控制信号。V2、V3分别由两路隔离电源提供，对Q1和Q2进行隔离驱动。图 5 驱动电路示意图 2.5 主控器件资源分配 主控器件采用数字信号处理器TMS320F28035，其中的资源分配如图6所示。本实验平台中用到的资源主要有ADC转换单元、ePWM单元、SCI通信单元、GPIO等。其中ADC转换单元负责采集电压、电流采样信号，ePWM单元用于输出PWM脉冲，SCI通信单元用于实现串口通信。配合软件编程，主控器件采集主电路中的电压、电流信号作为反馈信号，执行控制算法后，由ePWM单元调节PWM脉冲占空比，从而实现对主电路的控制。通信单元则通过串口接收上位机指令，并实时反馈主电路的工作状态。图 6 主控器件资源分配 3 软件的模型化设计 实验平台的软件部分涉及上位机界面和控制算法，上位机界面用于实现远程控制，控制算法则需根据实验内容具体编写。本文上位机界面和控制算法均利用MATLAB/Simulink软件，采用模型化编程方式实现，大大减小了编程难度。3.1 上位机界面设计 本文中创新实验平台的上位机界面采用Simulink软件自带的串口通信模块搭建，如图7所示。在上位机中，串口接收和发送模块可以实现通信数据的双向传输。利用仪表盘即可实现参数调整设置、模式切换等功能，而利用示波器则可以观察硬件电路的实际运行波形。图 7 上位机模型 3.2 典型控制算法编程设计 1）电压单闭环控制方法。双向Buck-Boost变换器的典型控制算法有基于PI控制器的电压单闭环控制及电压、电流双闭环控制。图8(a)给出了电压单闭环控制框图。其中，电压单闭环控制以端口电压为控制对象，把电压参考值和反馈值做差形成误差值，经过电压控制器输出占空比D，从而通过PWM驱动元件控制主电路的运行。图8(b)为对应的电压单闭环控制模型化软件设计，图中串口接收模块“SCI RCV”接收来自上位机的电压参考信号，“ADC”模块采集端口电压作为反馈信号，电压控制器执行PI控制算法，ePWM2输出PWM信号。图 8 电压单闭环控制 2）电压-电流双闭环控制方法。图9(a)给出了电压-电流双闭环控制框图，外环负责执行对端口电压的控制并生成电流参考值，内环执行电流控制算法并生成PWM占空比D，从而通过PWM驱动元件控制主电路的运行。图9(b)为对应的模型化软件设计，两路“ADC”模型负责采集电压和电流作为反馈信号，由两个PI控制器构成双闭环控制，最后通过ePWM单元输出PWM脉冲。与电压单闭环相比，采用双闭环控制有助于提升系统的动态响应速度。刘桂正，等：基于模型化编程的双向 DC/DC 变换器创新实验平台 187 图 9 电压-电流双闭环控制 3.3 光伏发电实验软件编程 在典型控制算法基础上，实验平台支持储能、光 伏发电、开关电源等多种创新型应用。本文以光伏发电系统为例，设计了光伏发电最大功率跟踪（MPPT）控制实验，对实验的开发流程进行展示和验证。MPPT控制算法的结构框图如图10(a)所示，对应的模型化软件设计如图10(b)所示，由电压-电流双闭环和MPPT跟踪算法构成。其中电压-电流双闭环基于图9所示的双闭环典型控制实现，而MPPT跟踪算法采用扰动观察法（P&O）实现11。MPPT跟踪算法采用MATLAB/Simulink软件的状态机功能（Stateflow）编程实现，如图11所示。光伏电池接入低压端口，MPPT跟踪算法首先检测当前的光伏电池电压和输出电流，计算输出功率。将当前的电压采样值、功率值与上一时刻的值进行比较，结合功率、电压变化情况调节电压参考值。然后由双闭环控制器按照更新的电压参考值执行电压-电流双闭环控制，调节PWM占空比，实现对光伏电池最大功率点的跟踪。图 10 光伏发电控制模型 图 11 扰动观察法 Stateflow 4 实验验证 双向DC/DC变换器创新实验平台如图12所示，配合直流电源和电子负载，支持开展储能、光伏发电、开关电源等相关的创新实验。本节将基于该实验平台开展典型控制实验和光伏发电MPPT跟踪控制实验，对实验平台及对应软件设计进行验证。图 12 实验平台 实验平台的驱动采用两路PWM波互补形式，PWM波的周期为10 s，驱动波形如图13所示。4.1 典型控制实验分析 为了验证非隔离型双向Buck-Boost变换器的工作原理12-14，使用MATLAB/Simulink设计了仿真实验，包括额定功率工作时降压模式和升压模式相互切换的运行情况，给出了在电压-电流双闭环控制方式下变换器在降压模式和升压模式之间无缝切换的波形，188 实 验 技 术 与 管 理 如图14所示。t=1.5 s时，升压模式切换成降压模式，电流迅速由反向变成正向，电压突增后经过调整恢复至48 V；t=3 s时，降压模式切换成升压模式，电流迅速由正向变成反向，电压突降后经过调整恢复至48 V。仿真实验说明，非隔离型双向Buck-Boost变换器可以在降压模式和升压模式之间进行无缝切换。图 13 两路 PWM 驱动波形 图 14 非隔离型双向 Buck-Boost 变换器仿真结果 由于直流电源和电子负载不具备功率双向流动功能，硬件电路无法进行降压模式与升压模式相互切换实验，下面就降压模式和升压模式分别展开相关实验。1）降压模式实验分析。在降压模式下，高压侧作为输入，低压侧作为输出。输入电压为48 V，将输出电压设定为24 V，对双向变换器的降压模式关键波形进行验证分析。图15为PWM驱动信号波形与电感电流波形，图中电感电流大于零，说明变换器功率流动方向为正向，即降压方向。电感电流的变化趋势与图2(a)相符，即当驱动信号为高电平时，电感电流上升，反之下降。为了验证降压模式下闭环控制器的响应特性，利用电子负载模拟负载突变，并利用示波器捕获负载突变时的输出电压、电流波形。如图16所示，当负载功率由100 W瞬间切换至200 W时，输出电流由4.4 A增加至8.8 A。输出电压出现跌落，并在约10 ms时间内恢复稳定，说明了闭环控制系统的有效性和良好的动态响应特性。图 15 降压模式电感电流与驱动波形 图 16 降压模式负载突变实验结果 2）升压模式实验分析。在升压模式下，低压侧作为输入，高压侧作为输出。输入电压为24 V，将输出电压设定为48 V，对双向变换器的降压模式关键波形进行验证分析。图17为PWM驱动信号波形与电感电流波形，图中电感电流小于零，说明变换器功率流动方向为反向，即升压方向。电感电流的变化趋势与图2(c)相符，即当驱动信号为高电平时，电感电流上升，反之下降。为了验证升压模式下闭环控制器的响应特性，利用电子负载模拟负载突变，并利用示波器捕获负载突变时的输出电压、电流波形。如图18所示，当负载功率由100 W瞬间切换至200 W时，输出电流由2 A增 图 17 升压模式电感电流与驱动波形 刘桂正，等：基于模型化编程的双向 DC/DC 变换器创新实验平台 189 图 18 升压模式负载突变实验结果 加至4 A。输出电压出现跌落，并在约10 ms时间内恢复稳定，说明了闭环控制系统的有效性和良好的动态响应特性。4.2 光伏发电 MPPT 跟踪控制实验 基于双向DC/DC变换器创新实验平台，在低压侧接入光伏电池，可开展光伏发电MPPT跟踪控制实验。在本文中，采用可控直流电源模拟光伏电池，将最大功率点设置为144 W，对应的电压为24 V。依据本文第3节内容，在典型电压-电流双闭环基础上加入MPPT算法来完成软件设计。图19示出了光伏电池的工作曲线，可以看出，在MPPT算法的控制下，双向DC/DC变换器能够有效追踪到最大功率点。跟踪控制过程中光伏电池的电压、电流波形如图20所示，图中电压和电流波形的纹波反映了最大功率跟踪的动态过程。图 19 最大功率点跟踪界面 图 20 光伏输出电压、电流波形 5 结语 基于双向Buck-Boost电路和MATLAB/Simulink软件设计了双向DC/DC变换器创新实验平台，并基于该平台设计了典型控制实验和光伏发电MPPT跟踪控制实验。双向Buck-Boost电路可以通过对驱动信号的灵活配置实现多种应用，为创新实验的开展提供基础。模型化编程手段在进行典型控制和MPPT控制的软件设计中体现出操作简单、直观、规范、容易移植等优点。典型控制实验和光伏发电创新实验证明了实验平台的灵活性，在实验教学中有助于提升学生的创新实践能力。参考文献(References)1 QAZI A,FAYAZ H,RAHIM N A,et al.Towards sustainable energy:A systematic review of renewable energy sources,technologies,and public opinionsJ.IEEE Access,2019(7):6383763851.2 段巍，王明，吴福象.能源结构、特高压输电与中国产业布局演变J.中国工业经济，2022(5):6280.3 CHAE W,KIM J,CHO J,et al.Optimal interconnection device for distributedenergy resources of customerC.3rd IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems(PEDG),2012.4 LIN C C,DENG D J,KUO C C，et al.Optimal charging control of energy storage andelectric vehicle of an individual in the internet ofenergy 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