带超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台

冯兴田，张 磊，高春侠

（中国石油大学（华东）信息与控制工程学院，青岛 266580）

电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，作为一门强弱电结合的学科交叉技术，已经成为电气、自动化、电子、机电等学科专业的重要课程，要求具有很强的动手实践能力和分析解决问题的能力[1-2]。电力电子技术的核心内容为交流和直流相互间的4种电力变换，而直流/直流（DC/DC）变换是指将直流电变为另一种固定直流电压或可调直流电压的电力变换。随着新能源发电和储能技术的飞速发展，DC/DC变换器的作用日益突出[3-5]。为了将DC/DC变换器的理论教学与实践教学紧密结合，并融入一定的科研思想，实验室开发了基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台。

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台主要由储能单元和双向DC/DC变换器构成。储能单元由多个超级电容器构成模组实现。双向DC/DC变换器将降压Buck电路和升压Boost电路有机结合在一起，实现能量的双向流动，该系统在馈能性负载、能量备用、快速输出能量调节、光伏发电等新能源发电中应用较为广泛[6-8]。通过该实验平台，学生在提高仿真实验分析能力和综合实践能力的同时，也可深刻体会电力电子技术在实际生产中的应用。通过理论结合实践的训练，促进以学生为中心的实践教学，提升学生的创新能力和科研能力[9-11]。

1 基于储能的双向DC/DC变换器实验系统

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器系统主要包括主电路系统和控制系统两大部分。主电路系统实现能量的传递，控制系统根据控制要求，通过数据采集、数据处理、控制输出等过程，完成系统的功能开发。

1.1 实验平台系统结构

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验系统如图1所示。超级电容器储能单元与双向DC/DC变换器实现能量双向流动，双向DC/DC变换器与负载（馈能性负载等）实现能量双向流动，因此对于储能单元的荷电状态和双向DC/DC变换器需要进行有效控制。数字信号处理器DSP28335控制器采样储能单元的电压电流参数以及双向DC/DC变换器的输出电压电流参数，通过DSP计算处理与数据分析，实现满足控制策略的输出，经过驱动单元控制构成双向DC/DC变换器的全控型电力电子器件，从而实现负载上的能量缓冲和电压稳定。

图1 基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验系统框图Fig.1 Experimental system diagram of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

1.2 双向DC/DC变换器设计与结构原理

双向DC/DC变换器结构如图2所示，主要包括全控型电力电子器件S1、S2以及与其并联的电力二极管 D1、D2，储能电感L，滤波电容C1、C2，等效电源V1、V2及其等效内阻RS1、RS2。其工作原理如下：S1、S2的触发脉冲互补，如图3所示；t0＜t＜t1时，IL＜0 ，电路工作于Buck降压模式，二极管 D2续流，电流路径为 D2-L2-C1-D2；t1＜t＜t2时，IL＞0，GS2＞0，开关器件 S2导通，电路工作于Boost升压模式，电流路径为 S2-C1-L-S2；t2＜t＜t3时，IL＞0 ，GS2＜0 ，开关器件 S2关断，二极管 D1续流，电路工作于Boost模式，电流路径为L-D1-C2-C1-L ；t3＜t＜t4时，IL＜0 ，GS1＞0 ，开关器件 S1导通，电路工作于Buck模式，电流路径为L-C1-C2-S1-L；t=t4时，进入下一周期的循环。

电路工作在Buck模式时，IL＜0；电路工作在Boost模式时，IL＞0，电流的双向流动意味着能量可在V1和V2之间双向传递。储能电感L发挥能量传递与缓冲的作用，电容C1、C2发挥滤波稳压的作用。

图2 双向DC/DC变换器结构Fig.2 Structure of bidirectional DC/DC converter

图3 双向DC/DC变换器工作原理Fig.3 Working principle of bidirectional DC/DC converter

1.3 储能单元设计

常规控制下，超级电容储能单元为备用能量，负载另有其他设备提供。当超级电容器电压小于给定荷电电压状态时，超级电容器会经过双向DC/DC变换器从直流母线吸收能量，直到超级电容器电压达到给定荷电电压时，双向DC/DC变换器停止工作；当负载侧能量动态变化时，双向DC/DC变换器投入工作，快速输出/吸收能量，补偿负载的能量波动，保证负载的电压电流稳定。

由于超级电容单体的耐压值大约为2.5 V，超级电容器储能单元通常由多个超级电容器单体串并联构成模组使用。超级电容器的数量通常由输出电压等级、储存能量大小、能量释放比例等来决定。通常情况下，超级电容存储的能量为最大存储能量的67%，超级电容吸收或释放的能量大约为超级电容储存能量的33%，根据这些要求可以计算出所需超级电容器的数量和容量。

1.4 控制系统

根据基于超级电容储能的双向DC/DC变换器系统的工作原理，设计了如图4所示以数字信号处理器DSP28335为核心的控制系统，主要包括采样电路、信号调理电路、A/D转换电路、DSP控制器和驱动缓冲电路5个单元[12]。

DSP控制器采用德州仪器公司（TI）的TMS320F28335作为核心，变流器的输入输出电压和电流通过高精度电阻分压进行数据采样，经过差分运放器AD620构成的信号调理电路，匹配A/D转换器MAX125的输入要求，通过A/D转换器变成数字量。根据实时跟踪实际需求，DSP进行数据分析处理，实现高频滤波器、数字调节器的设计，进行数字闭环调节控制，生成脉宽调制PWM（pulse width modulation）输出脉冲序列，再经过驱动缓冲电路提供双向DC/DC变换器的驱动信号，同时针对出现的故障问题予以保护，对输出电压和电流予以限制。

图4 控制系统框图Fig.4 Control system diagram

驱动缓冲电路由IR公司生产的IR2110实现，IR2110驱动器兼有光耦隔离（体积小）和电磁隔离（速度快）的优点，是中小功率变换装置中驱动器件的首选。IR2110具有的自举悬浮驱动电源，很大程度上简化了驱动电源设计，只用一路电源即可完成上、下桥臂两个功率开关器件的驱动。

2 实验平台设计实施与运行管理

针对基于超级电容储能的双向DC/DC变换器系统，搭建了实验平台。本文以Boost升压模式为例，对系统控制策略进行了分析，设计开发了多种实验项目，开展实验教学改革，进而提升学生的动手实践能力、科研创新能力和分析解决问题的能力等[13-15]。

2.1 仿真系统搭建

实验系统首先应用电力仿真软件PSIM，在仿真环境下，通过选取、连接并设置相应的电路元件，搭建系统进行仿真分析。仿真系统简化电路如图5所示，其中，ISEN、VSEN分别为电流传感器和电压传感器；VSC、Vout分别为超级电容等效电压和输出电压；PI为比例积分调节器。仿真系统中控制部分采用了比例积分加限幅的控制方法，PWM生成采用了载频三角波比较法，学生可根据要求继续搭建功能更完善的仿真系统，也可以改进控制策略。

图5 仿真系统简化电路Fig.5 Simplified circuit of simulation system

图6为电压和电流仿真波形，uo为双向DC/DC变换器输出电压波形，给定设定值100 V；iR为负载电流，给定初值10 A，uC为超级电容器电压。图6（a）中uo等于设定值且保持稳定，iL为流过电感L的电流，通过局部放大的波形可以看出，电感充放电过程中该电流的变化特性。图6（b）为负载电流在±5 A波动时各变量的仿真波形，uo仍能维持给定值不变，局部放大波形说明超级电容电压uC随之波动，体现出双向运行时充放电的特性，从仿真波形可以验证控制策略的可行性。

图6 电压和电流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of voltage and current

通过该仿真系统，学生可以灵活地开展仿真设计与分析，提高发现问题、分析问题、解决问题的能力。通过设置电源和负载的特性，可以分析Buck电路、Boost电路和双向电路变换的特点；通过设置滤波电容的参数，可以观察输出电压的稳定性；通过改变PI调节器的参数，可以分析输出电压调节的快速性和稳定性；通过设置超级电容容值和初始电压参数，可以分析输入输出电压的变化关系以及超级电容器的电压、容量要求；通过检测功率器件的电压电流值，可以提供器件选型的依据；通过设计先进的控制策略，可以充分发挥学生的创新能力。

2.2 实验平台设计与实施

1）实验平台仪器

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台除了开发的控制器和双向DC/DC变换器之外，实验所需的仪器设备主要包括：超级电容器模组、充电机（为超级电容器模组预充电）、DSP28335仿真器以及带有CCS仿真环境的计算机、数字示波器（测试电压电流波形）、数字万用表（电量监测）、功率电阻/阻感负载、开关电源（控制器供电），如图7所示。系统主电路元器件参数：超级电容器等效电容初始电压为50 V；输出给定电压设为100 V；储能电感L为80 μH；输出滤波电容C为820 μF；开关器件选择功率场效应晶体管MOSFET（metal oxide semiconductor field effect transistor），型 号 为 IR⁃FP260。

图7 基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台Fig.7 Experimental platform of bidirectional DC/DC converter based on super-capacitor energy storage

2）实验操作步骤

实验操作步骤如下：超级电容器模组作为双向DC/DC变换器的输入，电阻负载作为双向DC/DC变换器的输出，DSP控制器作为双向DC/DC变换器的控制单元，首先进行线路连接，包括弱电的采样与输出控制以及强电的主电路单元；通过充电机为超级电容器模组预充电至工作电压，控制器上电工作，输出触发脉冲控制双向DC/DC变换器开关管的导通与关断，实现相应的控制策略；通过采样校正、调整PI参数等环节达到预期控制目标；通过示波器测试相关的电压电流波形，观察相关电量的过渡过程，记录实验波形和数据，分析实验现象。

3）实验结果分析

图8为测试的电压和电流实验波形。图8（a）中uo保持稳定，但在开关频率处有尖峰干扰，需进一步处理；iL实验波形与原理分析波形一致，验证了电路原理和控制策略；iR运行平稳。图8（b）中iC为超级电容器电流，iC＜0时为充电过程，反之为放电过程，实现了能量双向流动，且动态过程变化迅速，uo在双向DC/DC变换器投入工作后迅速稳定在给定值。

图8 实验波形Fig.8 Experimental waveforms

2.3 平台实践项目设计与能力培养

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台能够实现多个实验项目的开发设计，使学生得到多方面的训练，大幅提高学生的动手实践能力和科研创新能力。

1）Buck与Boost电路实验

电力电子技术课程中最基本的两种DC/DC变换电路，通过该仿真与实验平台，学生对这两种电路的工作原理与控制策略有更深层次的认识；通过对实际电路中的储能电感、滤波电容以及开关管等元器件的参数计算与选型，深刻认识了工程实践的特点，充分体现了理论联系实际能力和动手实践能力的培养。

2）超级电容器储能实验

通过超级电容器储能的结构特点、模组设计、容量计算和功能分析，并结合光伏发电等新能源技术的应用，可以拓展学生的设计应用思维，可以让学生自行设计部分电路，用于大学生创新创业实践活动中，培养锻炼学生的创新实践能力和科研分析能力。

3）电力仿真软件PSIM应用实验

PSIM软件是专用于电力电子技术的仿真软件，其操作简单实用、运行速度较快。通过学习使用该软件，对于提高学生的电路设计与分析能力，有很大的帮助。同时，让学生从中学习和体会仿真电路和实验电路的设计区别与联系，逐步形成电路设计、原理分析、仿真建模、实验验证的工程设计流程，培养学生对工作和科研应具有的认真严谨的态度。

4）DSP功能开发实验

实验平台的控制器作为一个完整的控制系统，包含了I/O的基本操作、外部A/D转换器的接口应用、PWM的产生等，通过设计DSP28335的软硬件系统，熟练掌握控制器的开发过程。在此基础上，不断精简程序设计，提高DSP的工作效率，增强程序的可读性，为后续的功能拓展留下铺垫。这就需要不断的调试练习，能够培养学生不断进取、锲而不舍的精神。

5）波形和数据的分析

在仿真和实验过程中，通过修改参数，可以得到大量的实验波形和实验数据，能够根据这些波形和数据，准确分析存在的问题并找到解决方法，需要具有很强的分析能力。例如，图7中出现的电压尖峰，需要通过大量的分析、调试，最终解决问题。这要求学生熟练掌握系统原理和控制策略，认真对比原理分析与仿真实验结果的区别与联系，从中找出问题所在，再有针对性的提出改进措施。通过训练，学生可以不断提升自己的分析能力，并能促进创新思想的萌发。

3 结语

基于超级电容储能的双向DC/DC变换器实验平台的设计，加深了学生对电力电子电路的理解和认识，促进了学生应用实践能力和创新实践能力的培养。通过系统主电路和控制电路的设计、搭建仿真系统、实验系统参数设计、软件编程等一系列的训练，能够有效促进学生设计分析能力和仿真实践能力的提升，并培养学生积极的工作科研精神。该平台在多项校级教改项目的资助下，已在我校电气工程及其自动化专业教育部“卓越工程师培养计划”的创新实践教学中投入使用。