一种能储互补多端口电源变换器实验平台_冯兴田.pdf

第 45 卷第 3 期2023 年 6 月电气电子教学学报Journal of Electrical and Electronic EducationVol 45No 3Jun 2023收稿日期:2021-10-25;修回日期:2022-03-19基金项目:中国高等教育学会专项课题(21CXYB09);学位与研究生教育研究课题(2020ZDB42);山东省教学改革项目(CM2022053);中国石油大学(华东)教学改革项目(CM2022053)第一作者:冯兴田(1978)，男，博士，副教授，主要从事电气工程专业的教学与管理工作，E-mail:topfxt163 com一种能储互补多端口电源变换器实验平台冯兴田李紫岩(中国石油大学(华东)，新能源学院，青岛 266580)摘要:以燃料电池发电源、超级电容器储能及其 DC-DC 变换器为基础，开发了一种能储互补多端口电源变换器系统实验平台。实验系统采用单元模块化结构，分别设计了燃料电池及单向 DC-DC 变换器单元、超级电容模组及双向 DC-DC 变换器单元、集合驱动采样的 DSP 控制器单元。通过系统平台开展了实验研究和分析，能够促进学生掌握电力电子技术知识，强化动手实践和产业化训练，提高电力电子系统综合设计分析能力。关键词:储能;燃料电池;电源变换器;超级电容模组中图分类号:TM 46、G64文献标识码:A文章编号:1008-0686(2023)03-0222-05An Experimental Platform for Energy and Storage ComplementaryMulti port Power ConverterFENG XingtianLI Ziyan(College of New Energy，China University of Petroleum(East China)，Qingdao 266580，China)Abstract:Based on fuel cell power generation，super capacitor energy storage and DC-DC converter，an experimental platform ofenergy storage complementary multi-port power converter system is developed in this paper The experimental system adopts theunit modular structure，and designs the fuel cell and unidirectional DC-DC converter unit，super capacitor module and bidirection-al DC-DC converter unit，and the DSP controller unit with drive and sampling function Through the system platform，the experi-mental research and analysis are carried out，which can promote students to master power electronic technology knowledge，strengthen practical and industrialization training，and improve the comprehensive design and analysis ability of power electronicsystemKeywords:energy storage;fuel cell;source converter;super capacitor module直流微电网技术的快速发展，促进了基于电力电子变换技术的直流电能路由器的广泛应用，而多端口直流变换器在其中发挥关键的作用1 2。另一方面，分布式电源特点各异，储能方式多种多样，如何合理的选择电源类型和储能方式，使之能够协调配合使用也是一个核心问题3 4。另外，模块化、串并联、冗余设计也成为大功率、易维护变换器的发展趋势，广受研发者的关注和重视。本文选用一种能储互补多端口电源变换器系统作为设计对象，研究模块化多端口直流变换器、分布式电源以及储能的综合应用。系统采用燃料电池作为分布式电源，提供能量支撑;采用超级电容器储能实现快速调节。针对燃料电池和超级电容器的特点5 6，分别配以直流变换器，与负载实现共直流母线连接。重点针对多端口直流变换器系统设计了主电路、控制电路和采样、驱动等电路，以数字信号处理器 TMS320F2812 为核心开发系统软件，分析协调配合控制策略，搭建系统实验平台。1多端口电源变换器系统设计能储互补多端口电源变换器系统示意图如图1 所示，多端口网路拓扑结构具有两个 DC-DC 变换器，可以分别实现对燃料电池和超级电容储能单元输出功率的独立控制;也可通过有效的指令分配，协调控制两个 DC-DC 变换器，从而使得两个功率单元有效配合实现系统的能量分配管理。燃料电池的输出瞬态响应较慢，结合 DC-DC 变换器用以提供基础性的平均功率供给;超级电容器储能单元响应速度快，能够有效跟踪负载功率的快速变化，用以保证负载母线电压的稳定，各个单元的能量流向如图 1 所示。图 1能储互补多端口电源变换器系统示意图1 1系统主电路拓扑能储互补多端口电源变换器系统拓扑结构如图 2 所示，主要由两组变流器单元并联构成供电系统。燃料电池输出电压 ufu，输出电流 ifu，跟随单向DC-DC 斩波电路(由 3 组并联构成、模块化设计);单体超级电容器通过串并联构成超电容储能模组，输出电压 usc，输出电流 isc，跟随双向 DC-DC 斩波电路(由 3 组并联构成、模块化设计);L1、L2为储能电感;S1、S2、S3代表电力电子开关管，用以控制回路通断，此处采用电力 MOSFET 器件;D1、D2、D3代表二极管，提供开关管关断时的电流通路;电容 C 发挥滤波功能;L代表负载;uo代表负载母线电压，io代表负载电流。图 2能储互补多端口电源变换器系统结构图1 2采样与驱动电路高精度电阻的分压方式获取低电压采样信号，电流采样则通过高精度电阻转换成低电压信号，分别由差分运放 AD620 为核心的差分放大电路输出0 5 V 的电压信号，并发送至 14 位 AD 转换器MAX125，再上传到控制器 DSP，为故障保护、闭环运算提供实时数据。驱动电路主要以 I2110 为核心构成，优点是体积小、速度快。I2110 具有的自举悬浮驱动电源，能够简化驱动电源设计，将 DSP 产生的 PWM信号转换为 MOSFET 的驱动信号，并且只需单路电源即可完成上下桥臂两个开关管的驱动，适用于系统中双向 DC-DC 变换器。同时，为了便于模块化设计，单向 DC-DC 变换器的驱动也采用该芯片完成。图 3 所示为本设计采用的驱动电路板。图 3驱动电路板1 3协调控制策略基于三端口的功率平衡原理，超电容储能变换器控制母线电容的功率输出，燃料电池变换器完成功率波动控制，从而间接控制超电容储能单元的荷电状态。例如当超电容电压小于设定荷电电压时，超电容 DC-DC 变换器从负载母线处吸收能量，此时母线电压下降，而燃料电池 DC-DC 变换器将相应地增大输出功率，来抵消母线电压的降低，使得燃料电池、母线和超电容构成的三端口功率达到新平衡，当超电容电压达到设定荷电电压后，超级电容器 DC-DC 变换器将不再工作，燃料电池、输出母线再次处于功率平衡状态。协调控制策略既能满足负载变化的快速响应的要求，又可保证燃料电池功率的有效输出。而且当负载功率平稳且超电容模组处于在设定荷电状态时，超级电容器 DC-DC 变换器将封锁脉冲信号，保持待机状态，从而有效减少超电容的充放电次数，延长开关器件及其变换器工作寿命。1 4系统软件开发本文以 TMS320F2812 为核心进行控制器设计，包括电压电流采样、AD 转换、CPLD 及其外围电路等单元，控制板如图 4 所示。系统软件主要包括电压采样和电流采样的 AD 转换处理、闭环系统的 PI 调节、PWM 的输出、硬件保护的动作、系统的保护等各部分的算法和程序开发。程序设计流程如图 5 所示。AD 转换处理主要针对 MAX125 的采样，DSP 分析处理相关数据，实现低通滤波、数字调节器的设计，进行数字闭环调节322第 3 期冯兴田，等:一种能储互补多端口电源变换器实验平台图 4系统控制板控制;然后将计算得到的信号传递至变流器模块的核心控制器 CPLD 中，并生成 PWM 输出脉冲序列，再经过驱动电路提供 DC/DC 变换器的触发信号。闭环系统的 PI 调节则是整个系统的关键所在，负责完成控制策略的实施，包括燃料电池部分和超级电容部分变流器的单独控制和协调控制;硬件保护的动作针对电压、电流等出现的故障进行紧急保护，软件保护结合硬件保护。图 5系统程序设计流程图2系统平台搭建与实验根据表 1 给出的各项系统参数设计搭建能储互补多端口电源变换器系统实验平台。表 1系统设计参数参数值燃料电池输出电压/V44 48燃料电池额定功率/kW3超级电容器输出电压/V50 60超级电容器额定功率/kW3母线输出电压/V100母线额定功率/kW3开关频率/kHz100MOSFET 功率器件IHMS672602 1系统结构设计能储互补多端口电源变换器系统采取模块化设计，力求结构紧凑，主要有三种模块类型，即燃料电池单向 DC-DC 模块，超级电容器双向 DC-DC模块和主系统控制板。各模块之间的接口采用电联接插头。图 6 所示为变换器实验平台系统结构设计示意图。图 6电源系统平台结构示意图2 2系统平台实验各个模块设计制作完成之后，按照系统设计结构进行拼接，构成能储互补多端口电源变换器实验平台。图7 为 DC-DC 变换器实验模块和系统整体样机，样机主要包括三组单向 DC-DC 变换器模块和三组双向 DC-DC 变换器模块，以及控制器模块。图 7系统模块和整体样机通过该实验平台分别针对功率器件驱动、超级电容器、变换器、整个电源系统进行实验研究。422电气电子教学学报第 45 卷图 8所示为 I2110 驱动电路输出的驱动波形，可以看出两路驱动信号波形良好，输出互补且具有死区的特点。图 8I2110 输出的驱动波形超级电容器变换器单元由超级电容器模组和变流器单元组成，超级电容器模组如图 9(a)所示，其由 25 只 650 法拉的超级电容器串并联组合而成，通过图 9(b)所示的超级电容器充电机预充电进行实验，图 9(c)给出了超级电容预充电过程的实验波形，图中给出了超级电容模组从 40 V 充电到 60 V 的变化过程。(a)超级电容器模组(b)超级电容充电机(c)预充电实验波形图 9超级电容模组充电实验图 10(a)给出了单组双向 DC-DC 变换器实验波形，母线电压维持稳定，电感电流连续变化，呈现充放电过程;图 10(b)给出了三组双向 DC-DC 变换器并联工作时的实验波形，从三路电感电流波形可以看出，能够实现均流控制;图 10(c)展示了超级电容由充电转为放电时的系统联调实验波形，超级电容模组输出能量，经过短暂的波动之后，系统从一稳态过渡到另一稳态，母线电压维持恒定。(a)双向 DC-DC 变换器实验(b)三组双向 DC-DC 变换器实验(c)系统联调实验图 10变换器及系统联调实验522第 3 期冯兴田，等:一种能储互补多端口电源变换器实验平台3结语本文设计了一套能储互补多端口电源变换器系统，综合应用燃料电池发电、超级电容储能、DC-DC 变换器构建了实验平台，开展了实验研究。该平台通过电路设计、硬件选型、软件开发、控制策略研究、结构设计、实验波形记录和分析等多个环节的实训，让学生掌握电力电子系统的开发过程，认识从实验样机到产品开发的异同，为培养合格的电气工程师提供了一个专注实践训练的教学科研服务平台。参考文献 1 张国荣，毕康军，解润生，等 双极性直流微网多交错并联电压平衡器协调控制 J 太阳能学报，2021，42(7):44 50 2 王海明，刘桂英，钟念辉，等 终端电能路由器能量管理策略研究 J 电工电气，2021，(7):24 29，73 3 王子欣，苗世洪，郭舒毓，等 考虑分布式电源出力随机特性的配电网节点脆弱性评估J 电力自动化设备，2021，41(8):33 40 4 陈宏山，徐舒，李正红，等 计及 5G 通信异常工况的有源配电网快速综合保护方案 J 电力系统保护与控制，2021，49(15):159 168 5 杨志成 电压波动率可配置的超级电容串并联拓扑研究 J 电工技术，2020(24):158 163 6 王秀瑞，何晋伟，杜李扬 直流微电网电池储能系统串并联结构分散控制J 电源学报，2019，17(6):91 97622电气电子教学学报第 45 卷