模块化双向直流变换器实验平台探索与实践

张勤进，刘彦呈，牛京威，庄绪洲，刘凤春，李霄燕

模块化双向直流变换器实验平台探索与实践

张勤进1，刘彦呈1，牛京威1，庄绪洲1，刘凤春2，李霄燕3

（1. 大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连 116026；2. 大连理工大学 电气工程学院，辽宁 大连 116026；3. 哈尔滨工业大学 电气工程及其机动化学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

针对船舶电工学系列课程中电力电子功率变换技术基础知识的自主学习和创新实践，开发出一套开放式功率开关变换技术实验平台。该实验平台由主电路模块、采样及驱动模块、控制系统模块、仿真系统模块等构成，可用于变换器的升降压斩波实验、功率器件特性实验、负载特性实验和创新型实验等实验项目，具有自主学习现代电力电子功率开关变换技术、微处理器技术及自动控制原理的实践教学功能，有利于培养学生独立学习、创新思维的能力。

船舶电工学；模块化实验平台；功率变换技术；自主式学习

电力电子技术是一门交叉多学科的、致力于解决电能变换和控制的技术。在功率器件、电路拓扑等方面已经日臻完善，控制方法也日趋成熟，成为电气、自动化、控制等领域的重要技术手段[1-2]。针对电力电子技术的学习，要求有高效的方法和平台[3-4]，因此模块化的实验平台设计成为一种值得探索和实践的方法。随着新能源发电和智能微电网技术的迅速发展，直流变换器的应用更加广泛[5-7]。为了将科研与教学相结合，方便学生自主学习和创新实践，实验室应用模块化思想，设计了一套双向直流变换器实验平台。该实验平台基于现代电力电子技术，采用微处理器技术及半实物仿真验证手段，融合了控制方法，具有操作灵活性和易学性。该实验平台可应用于变换器电能变换实验、动态性能实验、创新型实验。使用这套平台，可以锻炼学生动手和仿真建模能力，提升理论水平，在实践中认知生产实际，培养创新思维[8-11]。

1 模块化双向直流变换器实验平台

该实验平台包括主电路模块、控制系统模块、采样及驱动模块、仿真系统模块。主电路模块可用于能量的双向传递，控制系统模块与采样及驱动模块相结合完成控制要求，实现能量传递和控制功能。

1.1 实验平台模块化结构

实验平台模块化结构如图1所示，能量可以从高压侧直流母线经DC-DC变换器向负载流动，也可由低压侧负载（如蓄电池等馈能性负载）经DC-DC变换器向直流母线流动。能量双向流动的过程中，使用采样电路将关键状态量反馈至控制电路，以实施有效控制，使驱动电路按要求驱动主电路中的开关器件工作。控制模块包括模拟式和数字式，模拟式使用TL494芯片完成传统的PI控制功能并向驱动电路输出控制信号，数字式使用STM32芯片完成A/D信号转换以及控制功能，dSPACE用于控制算法的快速实现和半实物仿真验证；采样电路采用霍尔传感器件，驱动电路使用M57962L芯片，主电路使用全控型IGBT芯片。

图1 实验平台模块化结构框图

1.2 实验平台功能

该实验装置是提供给本科生或研究生自主学习和研究功率变换技术的一套较完整的实践平台。在此平台上，可以开展全控型功率器件工作特性、缓冲吸收及谐振变换技术、无损耗缓冲吸收工作机理、功率开关器件开关过程及损耗计算、功率开关器件驱动控制原理、DC-DC升压斩波原理、DC-DC降压斩波原理、双向升降压斩波电路工作原理、正弦波脉冲宽度调制技术、开关电源的开环运行方式及闭环控制方法、带载动态性能实验、自主均流并联运行机理及控制方式等一系列实验和实践，也可供学生进行创新型实验，并通过半实物仿真平台快速验证可行性。模块化实验平台功能如图2所示。

图2 模块化实验平台功能图

2 模块化实验平台设计与搭建

2.1 主电路模块

双向DC-DC变换器结构如图3所示。主要器件有：全控性IGBT器件S1和S2，以及与其反向并联的电力二极管D1和D2，储能电感L，关断缓冲电路电容C1和C2，滤波电容CH（高压侧）和CL（低压侧）。H、L分别为高压侧和低压侧电压。该双向变换器原理如下：

图3 双向DC-DC变换器结构图

当S1导通、S2严格关断时，双向DC-DC变换器工作在Buck降压斩波模式，高压侧向低压侧传递电能，当S1的触发脉冲为高电平时，电流路径为CH—S1—L—CL—CH；当S1的触发脉冲为低电平时，二极管D2续流，电流路径为L—CL—D2—L；

当S2导通、S1严格关断时，双向DC-DC变换器工作在Boost升压斩波模式，低压侧向高压侧传递电能，当S2的触发脉冲为高电平时，电流路径为CL—L— S2—CL，当S2的触发脉冲为低电平时，二极管D1续流，电流路径为CL—L—D1—CH—CL。

在变换器的工作过程中，控制S1、S2的导通关断，即可改变能量传输方向，调节S1和S2各自的占空比，即可调节输入输出电压变换比。与开关管并联的电阻和电容起到缓冲关断电流冲击的作用，电感L起到储能与传递能量的作用，电容CH和CL起到滤波和稳压的作用。该主电路模块能够较好地满足双向能量变换需求，此外，模块化电力电子实验平台还配备DC-AC主电路模块，以及H桥主电路模块，可分别用于实现逆变控制和电机驱动控制。

2.2 采样及驱动模块

为了取得主电路中实时电压和电流等数据，以用于反馈闭环控制和数据显示，设计了精确的采样电路。采样电路采用LEM传感器，每个模块的输入和输出接口，以及模块内主要参数处设有物理测量点，便于采样电路和测量仪器对电路各关键点状态量的测量和波形的观测。主电源模块、各辅助电源模块、DC-DC主电路模块、模拟式控制电路开环控制模块以及闭环控制模块、数字式控制模块，能很好地支持模块化实验平台的各项功能。电源模块需采集输出电压值，主电路模块采集输入和输出端电压、电感电流值，控制模块使用采样信息完成闭环控制。驱动电路采用M57962L芯片，集成了驱动和过电流保护，极大地改善开关器件的静态和动态性能，保证开关器件充分导通和可靠关断，降低开关损耗。

2.3 控制系统模块

控制系统模块包含模拟式和数字式两种模式。模拟式控制模块采用固定频率脉宽调制控制芯片TL494，采样模块对主电路中的电感电流、电容电压进行采样，得到的模拟量数据经过信号调理送至控制模块，经脉宽调制产生PWM（pulse width modulation）脉冲波，完成电压单闭环控制或电压电流双闭环控制。

数字式控制模块采用高性能STM32F407微处理器，采样模块得到的模拟量数据经过信号调理和A/D转换以满足STM32对输入数据的要求，通过对STM32控制器的编程进行实时处理数据，输出满足控制要求的PWM波使驱动电路工作，进一步驱动主电路中的开关器件工作。本实验平台数字式控制系统结构见图4。

图4 数字式控制系统结构框图

电压和电流采样电路使用LEM电压传感器、LEM电流传感器，得到的模拟量信号同时分两路输出，一路进行信号调理和A/D转换，用于实时控制；另一路经过TTL逻辑保护电路，确保驱动电路严格输出1路驱动信号，防止DC-DC变换器的两个IGBT同时导通，形成短路。温度传感器将IGBT散热器的温度信号采样并处理，供显示和过热保护使用。

2.4 半实物仿真系统模块

半实物仿真系统模块采用德国dSPACE公司开发的一套软、硬件一体化测试和研发工作平台，该平台基于Matlab/Simulink并且能够与之无缝连接[12]。该仿真系统的软件部分通过dSPACE中的实时代码生成和下载软件RTI（real-time interface），将Simulink中的方框图自动转换为用于描述控制系统的C语言代码，测试软件ControlDesk能够访问RTI产生的变量文件，完成实时硬件和变量的可视化以及在线调整。硬件部分采用DS1103 PPC板卡，具有36路ADC通道、8路DAC通道和4通道8位数字I/O口，集成度高，运算能力强大，可以满足仿真系统要求。半实物仿真系统结构见图5，主电路模块中的电压信号H、L和电感电流I经过采样和A/D转换后，供仿真系统处理，并产生控制信号，快速实现控制效果验证。

图5 半实物仿真系统结构框图

3 实验项目设计与测试结果

搭建如图6所示的模块化电力电子实验平台，主要仪器设备有：模块化电力电子实验平台以及相关模块、计算机以及相关软件设备、dSPACE硬件电路、负载、用于测量显示的示波器。主要技术参数指标如表1所示。根据该实验平台，设计了多种实验项目，验证了平台的有效性，将教学与研发相结合，提升学生的科研素质。

图6 模块化双向直流变换器实验平台

表1 系统参数表

3.1 变换器升压变换实验

根据模块化电力电子实验平台中基础的直流变换电路设计实验，进行直流电压升变换，使学生理解模块化思想在电力电子实验装置中的应用和解决问题的方式，加强对基础知识的掌握，锻炼学生动手能力。Boost升压电路的实验条件为低压侧接入24 V蓄电池，负载为纯阻性负载，变换器升压运行时高压侧的输出电压和输出电流如图7所示，电压为72 V，电流为250 mA，且输出电压稳定，纹波系数较小，可以满足负载的功率需求。

图7 变换器Boost模式实验波形

3.2 变换器动态性能实验

变换器进行升压变换时，启动过程的输出电压和输出电流如图8所示，启动前变换器输出端电压为24 V，启动后升为72 V，输出电流由100 mA升为275 mA。启动时间为200 ms，启动过程平稳，输出电压电流超调量小，调节时间短。

图8 变换器启动波形图

变换器进行升压变换情况下，负载发生突变时输出电压、电流的动态特性如图9所示。负载突变前后，变换器输出电压在200 ms内稳定为72 V，电流快速由375 mA降低为275 mA。该过程中输出电压和输出电流超调量小，调节时间短，调整时间在毫秒级以内，变换器连接负载突加或者突减时，动态响应能力较强，放电与充电控制精度较高。

图9 变换器负载突变波形图

启动过程实验和负载突变实验表明，该变换器具有较好的动态性能，满足实验教学要求。

3.3 创新实验

设计了使用光伏电池（photovoltaic cell）和直流变换器进行光伏发电和工作模式切换的创新型实验，在Matlab/Simulink中搭建仿真模型，如图10所示。该模型基于Boost升压电路，用于实现光伏系统控制策略和工作模式切换。两种工作模式分别为：最大功率点跟踪MPPT（maximum power point tracking）模式；恒压控制CVC（constant voltage control）模式。设定高压侧电压为100 V，恒压控制模式中电压上限值为105 V，蓄电池用于储能，为其内阻，通过投入和切除负载电阻，模拟设备投切对高压侧的影响。该仿真模型中的偏移控制器用于改变MPPT控制器的工作点，经过滑模控制器调节系统动态性能，最终输出满足控制要求的PWM波形，控制主电路中的开关器件工作。

图10 仿真模型图

通过dSPACE半实物仿真平台实现该仿真，结果如图11所示。进行CVC模式和MPPT模式切换，母线电压在0.3 s内由105 V降为100 V，光伏电池电压由61 V降为55 V，切换过程平滑，波动在7%以内，控制效果比较理想。在该实验的基础上，学生可进行创新型实验探索，或者自主设计仿真模型和实验。

图11 模式切换波形图

4 总结

本文设计了一套模块化电力电子创新型实验平台。该平台基于电力电子功率变换技术，采取模块化搭建的方式，设计搭建了主电路模块、采样驱动模块、控制系统模块、半实物仿真模块，能够实现多种直流变换实验项目和创新型实验。该平台应用于船舶电气工程、轮机工程等专业教学中，为本科生在电力电子技术领域的学习打牢基础，为研究生的进一步学习和实验研究提供优质平台，提高学生自主学习的能力，使学生掌握从设计选型、模块搭建、仿真验证到创新实验整个科研流程，提升学生的整体科研素质。

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Exploration and practice of modular bidirectional DC converter experimental platform

ZHANG Qinjin1, LIU Yancheng1, NIU Jingwei1, ZHUANG Xuzhou1, LIU Fengchun2, LI Xiaoyan3

(1. College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of Electrical Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. College of Electrical Engineering and its Motorization, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In view of the independent learning and innovative practice of the basic knowledge of electronic power conversion technology in marine electrotechnics series courses, an open power switching technology experimental platform is developed. The experimental platform is composed of the main circuit module, sampling and driving module, control system module and simulation system module, which can be used in step-up and step-down chopper experiment, load characteristic experiment and innovative experiment of converter. It has the practical teaching function of independent learning of modern power electronic power switching technology, microprocessor technology and automatic control principle, which is beneficial to cultivating students’ ability of independent learning and innovative thinking.

marine electrotechnics; modular experimental platform; power conversion technology; independent learning

TM46; G484

A

1002-4956(2019)09-0087-05

2019-01-23

国家自然科学基金项目（51709028）；大连海事大学校教学改革项目（2018Y14）

张勤进（1986—），江苏盐城，博士，讲师，研究方向为直流综合电力系统、直流微电网。

E-mail: zqj20@dlmu.edu.cn

刘彦呈（1963—），辽宁大连，博士，教授，博士生导师，研究方向为机电一体化、智能电气与控制网络。

E-mail: liuyc3@126.com

10.16791/j.cnki.sjg.2019.09.022