主动能量管理光伏直流微网系统研制双向dcdc变换器的设计
光伏直流微网是实现光伏发电能量平稳可靠的接入电网的有效策略，其主要由分布式电源、负载、电力电子换流器组成微网。双向DC-DC变换器是一种直流直流变换器，可以在双象限下运行，双向传输能量。在光伏直流微网的主动能量管理中，双向DC-DC变换器控制蓄电池充放电、抑制光伏电池输出能量的波动以及直流负荷突变导致的能量供需变化、稳定直流母线电压、实现能量双向流动，能有效提升直流微网的性能质量和分布式电源的利用效率。随着电力电子技术的飞速发展，双向DC-DC变换器现在已经可以被大量应用到电动汽车、太阳能电池阵、分布式电站等领域，这是 DC-DC变换器表现出来的一种新形式，一定会在电力电子器件的领域内愈来愈重要。又因为考虑到在需要应用到双向DC-DC变换器的领域内，很大程度上减轻系统的体积重量及成本，因此含有着深远的研究意义。 对双向DC-DC变换器拓扑结构进行深入的探索分析，根据输入输出是否隔离分析了隔离型和非隔离的双向DC-DC变换器的电路结构，简要说明了各自的特点并指出相应电路的应用场合，结合本课题的实际功率等级要求选择非隔离型双向 Buck-Boost 变换器作为研究对象。本系统以同步整流电路为核心构成双向DC-DC变换器，该变换器依据Buck和Boost电路在拓扑结构上互为对偶，实现能量的双向流动，同时采用同步整流技术，使得电路可以在两种工作状态下实现自适应换流。本系统采用STC12C5A60S2单片机产生PWM信号，IR2104作为MOS管栅极驱动器，进行闭环数字PI控制，从而实现对电路的恒流、恒压控制。测试结果表明当变换器在充电模式下，输入电压和充电电流在较宽范围内变化时，变换器具有良好的电流调整率和优异的电流控制精度，电流步进实现10mA可调；在放电模式下，电路具有良好的电压调整率。同时，系统还实现了充电电流的测量与显示，测量精度达到1mA。同时，变换器实现了非常高效的电能转换。关键词双向DC-DC变换器，双向Buck-Boost变换器，单片机，PI控制
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 发展趋势和研究现状 3
1.3设计需要完成的要求 5
2 双向DCDC变换电路的拓扑结构 5
2.1 单管不隔离式DCDC变换器类 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
型 5
2.2 双向DCDC变换器拓扑 8
3 硬件电路的设计 11
3.1 双向DCDC变换器主电路分析及参数设计 11
3.2 主控制器的设计 17
3.3 电压电流检测电路 18
3.4 按键输入电路 20
3.5电路辅助电源的选取 21
3.6 液晶显示模块 21
3.7 升压、降压电路参数的计算/选择 22
3.8 系统结构框架 24
4 系统软件设计 24
4.1编程语言简介 25
4.2主程序程序设计 25
4.3 闭环控制系统设计 26
4.4 ADC中断程序 26
4.5按键子程序设计 27
4.6 LCD1602液晶显示程序 28
5 设计方案调试及分析 29
5.1硬件调试 30
5.2软件调试 31
5.3测试结果 31
结论 36
致谢语 37
参考文献 38
附录 40
总原理图 40
系统程序 41
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
近十年来，随着科技的快速发展，经济的突飞猛进，人类对传统的不可再生能源如煤炭，天然气等的需求不断增长，不可再生能源储备正在逐渐萎缩，日益枯竭。同时，大量使用传统化石燃料也给人类产生了严重的问题——环境污染。特别是空气污染、温室效应、臭氧层稀释、冰川融化、水污染等环境问题日益加剧。传统的化石燃料的发电形式越来越不能满足人类的能源需求，现今世界的能源不但要满足日益增长的电力消耗，而且还要减少对自然生态的负面影响。因此，对可再生能源开发利用的时代即将来临，越来越多的国家在未来的发展战略中将其纳入。在温室气体减排和化石燃料消耗的背景下，寻求清洁可持续能源发电正在变得越来越迫切，社会都在广泛关注新能源，例如风能、光能等等[1]。
分布式发电技术是一种新型电力技术，主要利用可再生能源的高效、经济，包括风力发电、生物能发电和太阳能发电等，尤其是光伏发电具有环保、经济高效、分布广泛和能量转换简单等特点。可是，如光伏发电，电网调峰和系统的稳定运行会因为大量的分布式能源直接并入主电网，而会受到造成显著的影响，阳光照到光伏组件上是随机不稳定的，所以输出的电力也不稳定，使得电网电压忽高忽低。为了处理这些问题，同时通过充分利用分布式电源来为大电网和用户带来利益和能量，把分布式电源并接到主电网中选择应用微电网这种形式是一种非常有效的方法。微网技术是电力产业可持续发展的有效途径，不同种类的可再生能源可以通过微网实现时间和空间上的优缺点相互弥补，能源利用率与供电的可靠性得到大大提高。而且，微网是一个小型发配电可控系统，可以达到自我保护、管理和监控的目的，所以，在将来配电网的发展中微网一定会被大面积地推广、应用。
图1.1 系统框图
从系统框图来看，如图1.1所示，光伏直流微网包含光伏组件、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、逆变器、蓄电池、控制设备和负载等，是一个具有完整发电输电变配电环节且可以独立控制的小型电力系统。蓄电池储能在微网里的作用能概括为以下几点：1）缓冲电能；2）增加微网产生的经济收益；3）电网能量缺乏时提供电能提供短时供电。蓄电池是用来储存能量的。它效率高、实用性强。若是用作短时间存储能量，则是一个很实用的器件。当蓄电池的充电放电的时候双向变换器的作用非常重要。双向DCDC变换器的一端接直流母线，另一端接蓄电池。若是电网系统供电不足时，蓄电池能够提供电能支持；若是电能盈余时，直流母线可以通过变换器对蓄电池进行电能储存。微网系统中的直流母线电压比较高，系统的功率传输密度可以因此而提高，传输损耗会减小。但是蓄电池和超级电容的电压相对较低，因此双向DCDC变换器在微网系统中需要具有较大的电压传输比，并且为了减小能量转换过程中的功率损耗，要求变换器的效率比较高[2]。因而双向DC DC变换器有着重要的研究价值。
本次设计主要是为了设计一种智能化的DCDC变换器，在电力电子器件上应用到单片机技术，可以数字化控制DCDC变换器。系统的主电路工作模式是模式还是模式由单片机产生的两道决定。该电路系统的控制方式选用闭环，电流流过采样电阻从而产生采样压降反馈给单片机，既而处理输出脉冲的占空比，达到电路的电压电流输入恒定不变、电压输出恒定不变的目的。当双向变换器两边端口的电压正负极性不发生变化的时候，电流的方向可以因为状况需求从而发生变化，能量可以分别通过两个方向来回流动。因为双向变换器能够完成两个单方向的变换器所具有的功能，因此在现实应用过程里，有着减少生产的成本，使设计方案更加简单等非常有意义的参考价值。在这种设计方案下，当锂电池充电放电时，能够即时检测到电路中的电压和电流。与此同时锂电池放出的电量可以被吸收且再次消耗掉，有效地防止了电能过多浪费，使微网系统内的电能使用率大大增加了。
1.2 发展趋势和研究现状
在年代初，人造卫星的太阳能电源系统比较庞大。科学家提出构想要减小它的体积和重量，美国的某个学者研究出用型双向变换器协助蓄电池充/放电器来达到直流直流能量转换时电压稳定的目的。之后，对人造卫星用蓄电池调节器开展了深入的研究并发表了大量的论文，使其逐渐进入了实用阶段.
在年，发明了一种水冷式双向变换器给电动车提供动力。与此同时，香港大学陈清泉教授也着手开始了双向变换器的探索。年美国弗吉尼亚大学李泽元教授也开展了与燃料电池配套的双向变换器的探索工作。由此发现，因为航天电源和电动车辆的大力发展进步，带动了双向变换器的发展，但是开关电源技术的迅猛发展也在帮双向变换器日后的发展开拓前进的道路。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 发展趋势和研究现状 3
1.3设计需要完成的要求 5
2 双向DCDC变换电路的拓扑结构 5
2.1 单管不隔离式DCDC变换器类 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
型 5
2.2 双向DCDC变换器拓扑 8
3 硬件电路的设计 11
3.1 双向DCDC变换器主电路分析及参数设计 11
3.2 主控制器的设计 17
3.3 电压电流检测电路 18
3.4 按键输入电路 20
3.5电路辅助电源的选取 21
3.6 液晶显示模块 21
3.7 升压、降压电路参数的计算/选择 22
3.8 系统结构框架 24
4 系统软件设计 24
4.1编程语言简介 25
4.2主程序程序设计 25
4.3 闭环控制系统设计 26
4.4 ADC中断程序 26
4.5按键子程序设计 27
4.6 LCD1602液晶显示程序 28
5 设计方案调试及分析 29
5.1硬件调试 30
5.2软件调试 31
5.3测试结果 31
结论 36
致谢语 37
参考文献 38
附录 40
总原理图 40
系统程序 41
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
近十年来，随着科技的快速发展，经济的突飞猛进，人类对传统的不可再生能源如煤炭，天然气等的需求不断增长，不可再生能源储备正在逐渐萎缩，日益枯竭。同时，大量使用传统化石燃料也给人类产生了严重的问题——环境污染。特别是空气污染、温室效应、臭氧层稀释、冰川融化、水污染等环境问题日益加剧。传统的化石燃料的发电形式越来越不能满足人类的能源需求，现今世界的能源不但要满足日益增长的电力消耗，而且还要减少对自然生态的负面影响。因此，对可再生能源开发利用的时代即将来临，越来越多的国家在未来的发展战略中将其纳入。在温室气体减排和化石燃料消耗的背景下，寻求清洁可持续能源发电正在变得越来越迫切，社会都在广泛关注新能源，例如风能、光能等等[1]。
分布式发电技术是一种新型电力技术，主要利用可再生能源的高效、经济，包括风力发电、生物能发电和太阳能发电等，尤其是光伏发电具有环保、经济高效、分布广泛和能量转换简单等特点。可是，如光伏发电，电网调峰和系统的稳定运行会因为大量的分布式能源直接并入主电网，而会受到造成显著的影响，阳光照到光伏组件上是随机不稳定的，所以输出的电力也不稳定，使得电网电压忽高忽低。为了处理这些问题，同时通过充分利用分布式电源来为大电网和用户带来利益和能量，把分布式电源并接到主电网中选择应用微电网这种形式是一种非常有效的方法。微网技术是电力产业可持续发展的有效途径，不同种类的可再生能源可以通过微网实现时间和空间上的优缺点相互弥补，能源利用率与供电的可靠性得到大大提高。而且，微网是一个小型发配电可控系统，可以达到自我保护、管理和监控的目的，所以，在将来配电网的发展中微网一定会被大面积地推广、应用。
图1.1 系统框图
从系统框图来看，如图1.1所示，光伏直流微网包含光伏组件、单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器、逆变器、蓄电池、控制设备和负载等，是一个具有完整发电输电变配电环节且可以独立控制的小型电力系统。蓄电池储能在微网里的作用能概括为以下几点：1）缓冲电能；2）增加微网产生的经济收益；3）电网能量缺乏时提供电能提供短时供电。蓄电池是用来储存能量的。它效率高、实用性强。若是用作短时间存储能量，则是一个很实用的器件。当蓄电池的充电放电的时候双向变换器的作用非常重要。双向DCDC变换器的一端接直流母线，另一端接蓄电池。若是电网系统供电不足时，蓄电池能够提供电能支持；若是电能盈余时，直流母线可以通过变换器对蓄电池进行电能储存。微网系统中的直流母线电压比较高，系统的功率传输密度可以因此而提高，传输损耗会减小。但是蓄电池和超级电容的电压相对较低，因此双向DCDC变换器在微网系统中需要具有较大的电压传输比，并且为了减小能量转换过程中的功率损耗，要求变换器的效率比较高[2]。因而双向DC DC变换器有着重要的研究价值。
本次设计主要是为了设计一种智能化的DCDC变换器，在电力电子器件上应用到单片机技术，可以数字化控制DCDC变换器。系统的主电路工作模式是模式还是模式由单片机产生的两道决定。该电路系统的控制方式选用闭环，电流流过采样电阻从而产生采样压降反馈给单片机，既而处理输出脉冲的占空比，达到电路的电压电流输入恒定不变、电压输出恒定不变的目的。当双向变换器两边端口的电压正负极性不发生变化的时候，电流的方向可以因为状况需求从而发生变化，能量可以分别通过两个方向来回流动。因为双向变换器能够完成两个单方向的变换器所具有的功能，因此在现实应用过程里，有着减少生产的成本，使设计方案更加简单等非常有意义的参考价值。在这种设计方案下，当锂电池充电放电时，能够即时检测到电路中的电压和电流。与此同时锂电池放出的电量可以被吸收且再次消耗掉，有效地防止了电能过多浪费，使微网系统内的电能使用率大大增加了。
1.2 发展趋势和研究现状
在年代初，人造卫星的太阳能电源系统比较庞大。科学家提出构想要减小它的体积和重量，美国的某个学者研究出用型双向变换器协助蓄电池充/放电器来达到直流直流能量转换时电压稳定的目的。之后，对人造卫星用蓄电池调节器开展了深入的研究并发表了大量的论文，使其逐渐进入了实用阶段.
在年，发明了一种水冷式双向变换器给电动车提供动力。与此同时，香港大学陈清泉教授也着手开始了双向变换器的探索。年美国弗吉尼亚大学李泽元教授也开展了与燃料电池配套的双向变换器的探索工作。由此发现，因为航天电源和电动车辆的大力发展进步，带动了双向变换器的发展，但是开关电源技术的迅猛发展也在帮双向变换器日后的发展开拓前进的道路。
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