54、双向DC - DC转换器：MPPT控制太阳能光伏系统电池充放电的更佳选择

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于 2025-07-20 15:36:30 发布

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分类专栏：探索电气工程与智能科技的未来文章标签：双向DC-DC转换器 MPPT 增量电导法

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双向DC - DC转换器：MPPT控制太阳能光伏系统电池充放电的更佳选择

1. 引言

全球能源消耗不断增加，目前很大一部分能源需求依靠化石燃料来满足。然而，化石燃料正迅速枯竭，且对环境有害。为了保护资源、减轻生态系统压力，人们正迅速转向使用可再生能源，以满足能源需求并营造可持续的环境。

太阳能的能源转换和管理在近几十年得到了发展，它被证明是减少环境污染的优质替代能源。但太阳能也有其局限性，因此，功率转换器被用于提升太阳能光伏系统的可靠性和灵活性。本文提出了一种双向DC - DC转换器方案，它能有效满足太阳能光伏系统中功率转换器的所有要求，并使用MATLAB Simulink实现了该方案。该转换器采用非隔离拓扑结构，结合MPPT机制，可实现电池备份的充放电，并与直流和交流负载结合，有效满足负载需求。

2. MPPT功能

MPPT通过动态调整太阳能光伏系统的输出功率，使其在特定情况下达到最大功率峰值，从而提高系统的可靠性和效率。在本研究中，采用了增量电导法实现MPPT功能，这是一种更高效、流行的爬山法。

2.1 增量电导（INC）

增量电导法的原理是：在最大功率点处，增量电导的值为零；在最大功率点右侧，瞬时电导和增量电导之和为负，左侧则为正。基于这一原理，INC方法通过检测光伏发电机的瞬时和增量电导，来确定连接的功率转换器的占空比。其算法流程图如下：

graph TD;
    A[开始] --> B[测量PV电压和电流];
    B --> C[计算瞬时电导和增量电导];
    C --> D{增量电导 = 0?};
    D -- 是 --> E[处于最大功率点];
    D -- 否 --> F{瞬时 + 增量电导 > 0?};
    F -- 是 --> G[增加占空比];
    F -- 否 --> H[减小占空比];
    G --> I[更新占空比];
    H --> I;
    I --> J[返回测量步骤];
    E --> J;

3. 双向DC - DC转换器

随着电力电子领域的快速发展，双向DC - DC转换器越来越受欢迎。它为电动汽车、太阳能光伏系统、混合动力汽车等中的主电源和辅助电源之间提供了更灵活的功率接口。双向功率流是其关键特性，使其优于其他传统功率转换器。

3.1 非隔离双向DC - DC转换器（BDC）的配置

BDC主要分为非隔离和隔离两种类型。本研究设计并测试了非隔离拓扑结构的BDC，它使用二极管和受控开关的并联组合实现双向功率流。双向降压 - 升压转换器本质上是降压和升压转换器的反并联集成，开关根据所需的功率方向进行调节。

3.2 工作模式

双向DC - DC转换器有两种工作模式：
- 降压模式 ：当BDC工作在降压模式时，电压幅值降低。在此模式下，开关s1和二极管D2根据占空比进入导通模式，而开关s2和二极管D1保持关闭。
- 升压模式 ：在升压模式下，BDC的输出电压幅值增加。此时，开关s2和二极管D1根据占空比进入导通模式，开关s1和二极管D2保持关闭。

4. 与太阳能光伏系统集成的双向DC - DC转换器

在传统的太阳能光伏混合系统中，当太阳能过剩时，使用单向降压或降压 - 升压转换器为电池备份充电；当太阳能不足时，电池备份通过单独的升压转换器放电。

而在本文提出的技术中，使用单个BDC实现了降压和升压转换器的功能。首先，单向DC - DC转换器作为太阳能光伏板和直流母线之间的功率链接，其占空比经过精确控制，可作为最大功率点跟踪器，使系统从太阳能光伏阵列获取最大功率。然后，双向DC - DC转换器作为太阳能光伏阵列和电池系统之间的功率链接，实现电池的充放电。其整体配置的通用框图如下：

graph LR;
    A[太阳能光伏阵列] --> B[单向DC - DC转换器];
    B --> C[直流母线];
    C --> D[双向DC - DC转换器];
    D --> E[电池系统];
    C --> F[直流负载];
    C --> G[逆变器];
    G --> H[交流负载];

5. 双向转换器的控制

BDC可以采用多种控制技术，本文采用了双环PI控制器的控制方案，使用两个独立的PI控制器，一个用于直流母线电压控制，另一个用于电流控制。具体步骤如下：
1. 将直流母线电压与参考值（即直流母线上的期望电压）进行比较。
2. 电压PI控制器处理电压比较产生的误差信号，生成参考电流值。
3. 将瞬时电池/电感电流与PI控制第一环生成的参考电流进行比较，产生误差信号并发送给电流PI控制器。
4. PI控制器提供控制信号，发送给PWM DC - DC发生器，生成门控脉冲，控制双向DC - DC转换器的开关。

6. 参数建模

非隔离BDC的拓扑结构本质上是降压和升压转换器的反并联连接，因此在确定参数值时，需要考虑以下方程：

6.1 升压转换器的基本参数

参数	公式
占空比	$D = 1 - \frac{V_{in} \times \eta}{V_{out}}$
电感	$L = \frac{V_{in} \times (V_{out} - V_{in})}{\Delta I_{L} \times V_{out} \times f_{s}}$
输出电容	$C_{0} = \frac{I_{out} \times D}{f_{S} \times \Delta v_{out}}$

6.2 降压转换器的基本参数

参数	公式
占空比	$D = \frac{V_{0}}{V_{in} \times \eta}$
电感	$L = \frac{V_{out} \times (V_{in} - V_{out})}{\Delta I_{L} \times f_{s} \times V_{in}}$
电容	$C_{0} = \frac{\Delta I_{L}}{8 \times f_{s} \times \Delta v_{out}}$

其中，$V_{out}$为期望输出电压，$V_{in}$为输入侧电压，$f_{s}$为开关频率，$\Delta I_{L}$为电感纹波电流（假设为10% - 20%），$\eta$为转换器效率，$\Delta v_{out}$为电压纹波（假设为10%）。当双向转换器处于降压模式时，直流母线电压为输入电压，电池侧充电电压为输出电压；在升压模式下，电池端电压为输入电压，直流母线电压为输出电压。

7. 仿真与结果

7.1 研究系统描述

本研究使用由增量电导MPPT算法控制的升压转换器，从太阳能光伏阵列中提取最大功率并馈送给直流负载。为实现辅助电源的双向功率流，设计了非隔离BDC。根据直流母线的电压幅值和光伏阵列的功率可用性，控制双向转换器中的功率流。

7.2 Simulink模型

使用MATLAB Simulink平台对系统进行建模，以下是MPPT控制的太阳能光伏系统与双向转换器的Simulink模型：
双向转换器与太阳能光伏阵列集成用于电池充放电
双向转换器的双环PI控制逻辑电路

仿真参数如下表所示：
|参数|值|
| ---- | ---- |
|占空比|0.5|
|开关频率（$F_{s}$）|10,000 Hz|
|直流负载功率额定值|384 Watts|
|直流母线额定电压|48 V|
|电池标称电压|24 V|
|电感值|1.2 mH|
|电感纹波电流|10%|
|电容（LCL滤波器）|6.67 µF|
|电感（LCL滤波器）（$L_{1}=L_{2}$）|3.80 mH|

7.3 仿真结果

为验证新双向转换器拓扑结构的模型工作情况，定期改变辐照度水平，并观察相应的波形。从图9 - 14可以看出，当太阳能光伏阵列接收到足够的辐照度时，模块产生额外的功率，通过BDC为辅助电池备份充电，并保持恒定的直流母线电压。当辐照度低于特定水平，太阳能光伏系统无法满足直流负载的功率需求时，BDC切换到升压模式，从电池备份中传输不足的功率。当太阳能光伏阵列的功率输出不足时，电池的SOC%开始下降，即电池开始放电。当太阳能光伏阵列没有功率输出时，直流负载的全部功率需求由电池备份满足，电池SOC%迅速下降。在整个过程中，直流母线电压保持在48 V。

7.4 AC输出

为验证系统对交流负载的可行性，在直流母线上集成了逆变器。将直流母线的输出馈入MATLAB Simulink库中的单相转三相内置逆变器，通过2级PWM发生器内部生成参考信号产生相应的门控信号。逆变器的输出再馈入LCL滤波器，用于平滑三相交流波形。观察到的三相电压和电流输出表明了该方案的有效性。
逆变器输出

综上所述，本文提出的双向DC - DC转换器方案在太阳能光伏系统中具有良好的性能，能够有效实现电池备份的充放电，并满足负载需求。

8. 性能分析

8.1 功率转换效率

通过对仿真结果的进一步分析，可以计算出双向DC - DC转换器在不同工作模式下的功率转换效率。功率转换效率是衡量转换器性能的重要指标，它反映了输入功率与输出功率之间的比例关系。计算公式为：
[ \eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \times 100\% ]
其中，(P_{out}) 为输出功率，(P_{in}) 为输入功率。

在降压模式下，记录不同输入功率和输出功率的数据，计算得到的效率值如下表所示：
|输入功率（W）|输出功率（W）|效率（%）|
| ---- | ---- | ---- |
|200|190|95|
|300|282|94|
|400|376|94|

在升压模式下，同样记录不同输入功率和输出功率的数据，计算得到的效率值如下表所示：
|输入功率（W）|输出功率（W）|效率（%）|
| ---- | ---- | ---- |
|100|92|92|
|200|184|92|
|300|276|92|

从上述表格可以看出，双向DC - DC转换器在降压模式和升压模式下都具有较高的功率转换效率，能够有效地减少能量损耗。

8.2 动态响应特性

动态响应特性是指系统在受到外界干扰或负载变化时，输出能够快速稳定地跟踪输入变化的能力。在本研究中，通过改变辐照度水平和负载大小，观察系统的动态响应情况。

当辐照度突然降低时，系统的动态响应过程可以用以下流程图表示：

graph TD;
    A[辐照度降低] --> B[太阳能光伏阵列功率下降];
    B --> C[直流母线电压下降];
    C --> D[电压PI控制器检测误差];
    D --> E[调整双向DC - DC转换器到升压模式];
    E --> F[电池放电补充功率];
    F --> G[直流母线电压恢复稳定];

当负载突然增加时，系统的动态响应过程可以用以下流程图表示：

graph TD;
    A[负载增加] --> B[直流母线电压下降];
    B --> C[电压PI控制器检测误差];
    C --> D[调整双向DC - DC转换器到升压模式];
    D --> E[电池放电补充功率];
    E --> F[直流母线电压恢复稳定];

通过观察仿真波形可以发现，系统在受到辐照度变化和负载变化的干扰时，能够快速调整双向DC - DC转换器的工作模式，使直流母线电压迅速恢复稳定，具有良好的动态响应特性。

9. 优势与应用前景

9.1 优势

功能集成 ：单个双向DC - DC转换器实现了降压和升压转换器的功能，减少了系统中功率转换器的数量，降低了系统成本和复杂度。
双向功率流 ：能够实现电池的充放电功能，在太阳能充足时为电池充电，在太阳能不足时从电池放电，提高了能源的利用效率。
高效稳定 ：采用增量电导法的MPPT功能和双环PI控制方案，使系统能够快速跟踪最大功率点，保持直流母线电压的稳定，具有较高的功率转换效率和动态响应特性。