直流微电网储能变换器设计开题报告

1.1背景及意义

进入21世纪以来，随着生产力和人们生活水平的不断提升，能源需求量也随之增大，使得石油、煤炭、天然气等等不可再生能源被大量开采，造成能源短缺。为了实现人类可持续发展，针对目前出现的能源危机问题，就需要积极探索新型清洁的可再生能源，改变传统能源结构以满足社会需求，同时可以减小碳排放量减轻环境污染。

光伏发电作为绿色环保新能源，如何对它开发利用成为了各国的重点研究项目。在过去的十年中，随着能源短缺和环境污染现象的日益加剧，世界范围内光伏发电装机量的增长速度保持在每年47%。2012年以前，以德国、西班牙、意大利为代表的欧洲区域的光伏装机规模占全球光伏总装机规模的70%以上,成为全球光伏产业发展的核心地区。而2013年以后，光伏发电装机的主要增长区域已经转移到了美国、中国、日本和印度。2016年，中国国家发展改革委印发《可再生能源发展“十三五”规划》，该规划明确提出，截止到2020年，我国全部可再生能源年利用量要达到7.3亿吨，全部可再生能源发电装机量达到6.8亿千瓦，可再生能源发电总量达到1.9万亿千瓦时，这其中，光伏发电装机量要求达到1.1亿千瓦，分布式光伏发电装机量达6000万千瓦以上。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究的基本内容

图1 光伏储能微电网系统整体结构

本次设计任务要求完成的是蓄电池储能单元接入直流母线之间的储能变换器电路拓扑结构设计、器件参数选择、工作原理分析及仿真。其中光储充直流微电网的母线电压750V，光伏发电系统额定容量50kW，储能电池采用退役磷酸铁锂电池，额定容量100kWh。

2.2设计目标

（1）完成储能单元接入直流母线之间的储能变换器电路拓扑结构设计，设计可行的技术方案；

（2）为直流储能变换器选择合适的器件参数；

（3）采用MATLAB仿真软件对储能变换器运行特性进行模拟，并能够理解其局限性；根据技术方案搭建主电路模块，控制电路模块、控制策略模块等，能够得到正确仿真曲线，并能用理论进行分析。

2.3设计拟采用的技术方案及措施

常用的可供选择的双向DC/DC变换器拓扑有Buck/Boost、正激、反激、推挽、半桥、全桥、CLLC等电路。结合各电路的特点，对各电路进行分析对比，如表格1。

表格1 各拓扑对比

综合各种拓扑的优缺点以及适用范围，针对本设计任务，DC/DC变换器用于光储充直流微电网，没有电气隔离的强制要求，相对于隔离型变换器的拓扑而言，非隔离型变换器的电路结构简单，采用的元器件较少，同时可以满足系统对于安装体积、稳定性及成本的要求，因此选用非隔离双向DC/DC变换器。非隔离式变换器中，与双向Cuk变换器及双向SEPIC变换器相比，双向Buck/Boost变换器是利用电感储存传递能量的，可以节省一个额定电压较高的大容量传递电容，故选用Buck/Boost变换器。

2.3.1 双向DC/DC变换器拓扑设计及原理分析

双向DC/DC变换器，目的在于实现能量双向流动。Buck/Boost 双向 DC/DC 变换器，由单向升压Boost变换器和单向降压Buck变换器组成。在整个系统中，所使用的双向 DC/DC 变换器拓扑结构如图2所示。开关管VT1和VT2是全控型开关管，VD1和VD2是不同工作模式下续流二极管，C1是低压侧端电容，C2为高压侧端电容，L为储能电感。

图2 双向Buck/Boost变换器电路

Boost工作模式下，蓄电池放电。开关管VT1关断，开关管VT2开通，蓄电池给电感L充电储能；开关管VT1开通，开关管VT2关断，蓄电池和电感L共同给输出端供电，C2有滤波、储能和稳压作用。

Buck工作模式下，蓄电池充电。开关管VT1关断，开关管VT2开通，电感L给蓄电池充电储能，C1有滤波、储能和稳压作用；开关管VT1开通，开关管VT2关断，电源端和电感L共同给蓄电池充电储能。

2.3.2 双向Buck/Boost变换器的调制方式

2.3.2.1脉冲宽度调制

脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation , PWM）指控制脉冲的周期保持不变，把直流脉冲分割成一系列脉冲，通过调节占空比来调节这一系列脉冲的宽度，以控制开关管的导通时间，从而控制输出电压。由于开关管的导通周期与脉冲周期一致，为确定的数值，从而使得LC滤波器变的容易设计。同时，因受功率开关管最小导通时间的限制，输出电压的调节范围有限。

2.3.2.2脉冲频率调制

脉冲频率调制（PulseFrequency Modulation , PFM）指控制脉冲的占空比不变，通过调节脉冲频率，控制开关管导通的时间，从而控制电压。控制电路中的斜坡信号将由恒定脉宽信号代替，并通过电压/频率转换电路来实现频率的变化。

脉冲频率调制模式的优点是：空载或轻负载的情况下功耗较小转换效率较高，电压可调节的范围比较宽，频率特性良好；缺点是电流峰值频率分布无规律，使得LC滤波器的设计变得复杂。

2.3.2.3脉冲宽度频率混合调制

脉冲宽度调制和脉冲频率调制都有各自的优缺点，为避开两者局限性，综合两者优点，可采用混合调制策略。混合调制方式是以上两种调制方式的结合，占空比和脉冲频率都可以调节，因此可调节的占空比的范围明显增加。在轻负载时实行脉冲频率调制，负载变重时自动切换到脉冲宽度调制。

综合考虑几种调制策略的优缺点以及使用成本，因本次设计任务所需的输入和输出电压都是直流，，故选用LC滤波器容易设计的脉冲宽度调制方式。

2.3.3双向Buck/Boost变换器的控制模式

2.3.3.1电压控制模式

电压控制模式工作的原理是先对V_out 进行采样，并将采样信号反馈到控制系统，从而动态调节输出电压，将输出电压维持在一个稳定值，在这种控制方式中，不涉及对电感电流的采样，转换器的控制系统是二阶系统。

电压模式控制结构简单，易于设计，占空比可以任意调节，对输出电压的变化和负载的变化都有较快的响应；但对输入电压变化响应慢。由于电压模式只有输出电压一个反馈信号，只形成了一个反馈环路，因此电感电流是独立变量，从而电压模式具有二阶特性，是条件稳定的系统。为了使系统稳定，反馈环路必须仔细设计。

2.3.3.2电流控制模式

电流控制模式又称为电流可编程控制模式。这种控制模式以电压控制模式为基础，增加了电流检测部分，形成了电流反馈环路，系统中虽然存在电感电流和电容电压两个变量，但由于是双环系统，独立变量只有一个，也就是说系统本质上是一阶的稳定系统。

电流控制模式的优点在于每一个开关周期内，电感电流均可以被监测到，因而转换器具有良好的负载线性调整率以及快速的输入输出动态响应，并保证功率管不会因瞬时峰值电流过大而损坏；采用两个环路控制，消除了反馈电路的二阶特性，使系统成为无条件稳定的一阶电路，大大改善了系统的稳定性以及频率响应，使误差放大器易于补偿。

本次设计任务采用退役磷酸电池作为储能单元，电压输出比较稳定，采用电压控制模式即可。

3. 研究计划与安排

3．进度安排

本次毕业设计及论文撰写进度安排如表2

表2 进度安排

4. 参考文献（12篇以上）

[1]张方华,朱成花,严仰光.双向dc-dc变换器的控制模型[j].中国电机工程学报,2005(11):46-49.

[2]李洁,赵峥.光伏储能式电动汽车直流充电桩的研究与设计[j].绿色科技,2019(18):192-193.

[3]刘玉龙. 一种基于推挽电路的双向直流变换器的研究[d].燕山大学,2010.