CN107834843A - 一种直流变换器及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流变换器及其控制方法，通过这种直流变换器作为主电路，配合DSP控制电路、驱动电路、采样电路和辅助电源电路共同构成储能环节的控制***，根据可再生能源的供应情况准确的控制储能***中储能设备的通断情况，延长储能设备的使用寿命，保证不同工作状况下能量的稳定流动，在可再生能源扰动发生时，以直流变换器为基础的控制***控制储能***在不同工作状态下相互转换，维持负载稳定工作。

Description

一种直流变换器及其控制方法
技术领域
本发明涉及直流变换器技术领域，具体为一种直流变换器及其控制方法。
背景技术
随着化石燃料的日趋枯竭，太阳能、风能等可再生能源以其能量可再生、清洁无污染的优点受到人们越来越多的关注，以可再生能源为基础的发电***获得了较快发展，然而由于风能、太阳能等新型能源的间歇性与不稳定性，使得可再生能源发电***的稳定性、实用性大大降低，为了克服这些缺点，目前公认的方法为增加储能环节，保证***在不同工作状况下能量的稳定流动，维持***持续稳定工作，但是传统的储能环节缺少高精度的控制***，造成储能设备使用寿命受到不良影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种直流变换器及其控制方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种直流变换器，包括变换器主电路、DSP控制电路、驱动电路、采样电路和辅助电源电路，所述变换器主电路、采样电路、DSP控制电路、驱动电路和辅助电源电路依次电连接；
所述采样电路对储能***的电压和电流信号进行采样，把电压和电流信号放大后反馈给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据的处理运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行功率放大后，驱动变换器主电路中的开关管开通或关断，以控制储能***中能量的存储或释放，辅助电源电路为DSP控制电路、驱动电路和采样电路供电。
优选的，采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路包括差分电路、第一运算放大器LM358和第二运算放大器LM358，且差分电路、第一运算放大器LM358和第二运算放大器LM358依次串联，所述电压采样电路通过差分电路采集电压信号，通过第一运算放大器LM358对采集的电压信号进行发大，通过第二运算放大器LM358搭建电压跟随器，
所述电流采样电路包括ACS714电流采样芯片，ACS714电流采样芯片具有隔离功能和输出电压偏置。差分电路采集电压信号减小输出信号对输入信号的影响，抑制了电路中的共模干扰，第二运算放大器LM358搭建的电压跟随器增强输出信号的负载能力；ACS714电流采样芯片响应速度快，电压偏置方便与DSP控制电路的采样端口相连接。
优选的，所述驱动电路包括TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125，且TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125相串联，驱动芯片IR2125具有自举电路。驱动电路具有电气隔离功能，将强电和弱点隔离，保护控制器不受主电路的干扰，驱动芯片IR2125的自举电路可以方便实现变换器主电路的悬浮驱动，驱动电路设计简单，工作可靠。
优选的，所述辅助电源电路包括TinySwitch-III主控芯片，TinySwitch-III主控芯片包括功率MOSFET和电源控制器。辅助电源电路为DSP控制电路、驱动电路和采样电路供电，辅助电源电路设计成本低，输出功率范围较大。
优选的，所述DSP控制电路中把驱动电路传递过来的信号经过abc-dq坐标转换为直流分量的dq坐标值，把这个dq坐标值传送给电路中的PI调节器，PI控制器输出对应的控制值，把控制值经过dq-abc坐标变换转变为abc坐标值。
上述所述的PI调节器的微积分方程为：
公式1中Kp——比例系数，T——时间积分常熟；
将公式1离散化的微分方程为：
DSP控制电路利用公式2通过有限次乘法和加法实现PI调节器功能。
优选的，所述变换器主电路和蓄电池组成所述储能***，储能***通过直流母线分别与负载和可再生能源电连接，由储能***包括六个工作状态，其中Ub为蓄电池当前端电压，Udc为直流母线电压，Udc_N为直流母线额定电压；
状态1：状态1时Udc≥Udc_N，所述可再生能源能够独立维持直流母线电压稳定，且有多余能量给蓄电池充电；
状态2：在状态1的基础上蓄电池储存的电能增加，直至饱和，此时转化为状态2，蓄电池退出运行；
状态3：状态3时Udc＜Udc_N，可再生能源不能独立维持功率平衡，直流母线电压下降，此时，蓄电池放电，向直流母线回馈电能，维持功率平衡，直流母线电压稳定；
状态4：在状态3维持进行的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源供能不足，剩余少量电能，此时转化为状态4，断开负载，可再生能源给蓄电池充电；
状态5：状态5时，可再生能源停止工作，退出运行，蓄电池支撑直流母线稳定，维持功率平衡；
状态6：在状态5的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源停止运行，此时转入状态6，蓄电池停止工作、负载断开、直流母线中没有功率流动。
在上述电路***的运行中，通过以变换器主电路为基础的控制***控制蓄电池实现三段式充电：恒流充电—恒压充电—浮充充电，三段式充电在恒流充电和恒压充电阶段过程中，模拟了蓄电池的最佳充电曲线，具有较快的充电速度，同时不会对蓄电池造成不必要的损害，在浮充充电阶段，可以补充蓄电池因自放电造成的功率损失，使蓄电池能够长时间保持完全充电状态，有利于延长蓄电池的寿命。
基于上述直流变换器的控制方法，利用采样电路采集储能***的电压和电流值，把电压和电流值传递给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据处理运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行放大，直接驱动变换器主电路中的开关管开通或者关断，实现对储能***的供电控制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明设计了一种直流变换器，通过直流变换器主电路，配合DSP控制电路、驱动电路、电压电流信号采样电路和辅助电源电路共同构成储能环节的控制***，根据可再生能源的供应情况准确的控制储能***中储能设备的通断情况，延长储能设备的使用寿命，保证不同工作状况下能量的稳定流动。
附图说明
图1为本发明的直流变换器的电路组成框图；
图2为本发明中电压采样电路图；
图3为本发明中电流采样电路图；
图4为本发明中驱动电路图；
图5为本发明中DSP控制电路算法框图；
图6为本发明中蓄电池三段式充电图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不限于此。
一种直流变换器，包括变换器主电路、DSP控制电路、驱动电路、采样电路和辅助电源电路，所述变换器主电路、采样电路、DSP控制电路、驱动电路和辅助电源电路依次电连接，如图1所示；
所述变换器主电路是储能***能量双向流动的通道，是实现储能***存储、释放能量的基础电路，所述采样电路对储能***的电压、电流信号进行采样，把这个信号放大后反馈给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据的处理运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，这个PWM触发信号由DSP控制电路产生，DSP控制电路利用内部定时器定时产生PWM脉冲触发信号，驱动电路是连接DSP控制电路与变换器主电路之间的桥梁，它接收来自DSP控制电路的触发信号，进行功率放大后，直接变换器主电路中的驱动开关管开通或关断，辅助电源电路为DSP控制电路、驱动电路和采样电路供电。
具体而言，采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，且差分电路、第一运算放大器LM358和第二运算放大器LM358依次串联，如图2所示，所述电压采样电路通过差分电路采集电压信号，通过第一运算放大器LM358(图3左侧的运算放大器为第一运算放大器LM358)对采集的电压信号进行发大，通过第二运算放大器LM358(图2右侧的运算放大器为第二运算放大器LM358)搭建电压跟随器差分电路采集电压信号减小输出信号对输入信号的影响，抑制了电路中的共模干扰，第二运算放大器LM358搭建的电压跟随器增强输出信号的负载能力，差分电路的电压输入端与直流母线相连，差分电路的电压输出端与第一运算放大器LM358的正向电压输出端引脚3相连，第一运算放大器KM358的电压输出端引脚1与第二运算放大器LM358的正向电压输入端引脚5相连，第二运算放大器LM358的输出端引脚7与DSP控制电路信号输入端相连，第一运算放大器LM358输出阻抗较高，在几千欧到几十千欧之间，后级输入阻抗较小，为了避免信号消耗在前级的输入端，在后方串联第二运算放大器LM358起到缓冲作用；差分电路中的电阻R17、R22、R26、R28、R32和R36为隔离电阻，起到降压的作用，对第一运算放大器LM358进行保护，电阻R20为负载电路，电阻R20与第一运算放大器LM358串联，起到分压的作用；
如图3所示，所述电流采样电路包括ACS714电流采样芯片，ACS714电流采样芯片具有隔离功能和输出电压偏置，ACS714电流采样芯片响应速度快，电压偏置方便与DSP控制电路的采样端口相连接，ACS714电流采样芯片IP-引脚3和4与直流母线相连,所述ACS714电流采样芯片的Vout引脚7与电压采样电路的电压输入端相连，ACS714电流采样芯片把电流信号转化为电压信号输出，再通过电压采样电路进行采样，电流采样电路中电容C45和电容C46用于滤波，保证电流信号的平稳。
具体而言，如图4所述，所述驱动电路包括TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125，且TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125相串联，驱动芯片IR2125具有自举电路，驱动电路具有电气隔离功能，将强电和弱点隔离，保护控制器不受主电路的干扰，驱动芯片IR2125的自举电路可以方便实现变换器主电路的悬浮驱动，驱动电路设计简单，工作可靠，TLP555高速光耦的正向电压输入端VCC引脚8与VCC15电压相连，TLP555高速光耦的输出端VO引脚7与电阻R88的正向电压输入端相连，电阻R88的输出端与驱动芯片IR2125的正向电压输入端IN引脚2相连，R88为限流电阻，对TLP555高速光耦传递过来电流进行限流，使传递给驱动芯片IR2125的电流减小到符合驱动芯片IR2125的需求；驱动电路中的驱动芯片IR2125的ERR引脚3为多功能引脚，其作用为提供状态指示、线性模式时序和周期循环控制，当驱动芯片IR2125有过流信号时，ERR引脚3输出100uA充电电流给电容C51，ERR引脚3电压上升，上升速度有电容R51大小决定，当过流信号消失时，ERR引脚3电压停止上升，驱动电路恢复正常，如果过流信号持续存在，ERR引脚3电压上升至1.8V以上，驱动芯片IR2125停止工作，对驱动电路进行保护。
具体而言，所述辅助电源电路包括TinySwitch-III主控芯片，TinySwitch-III主控芯片包括功率MOSFET和电源控制器，辅助电源电路为DSP控制电路、驱动电路和采样电路供电，辅助电源电路设计成本低，输出功率范围较大。
具体而言，如图5所示，所述DSP控制电路中把驱动电路传递过来的信号经过abc-dq坐标转换为直流分量的dq坐标值，把这个dq坐标值传送给电路中的PI调节器，PI控制器输出对应的控制值，把控制值经过dq-abc坐标变换转变为abc坐标值，
上述所述的PI调节器的微积分方程为：
公式1中Kp——比例系数，T——时间积分常熟；
将公式1离散化的微分方程为：
DSP控制电路利用公式2通过有限次乘法和加法实现PI调节器功能。
具体而言，所述变换器主电路和蓄电池组成了储能***，储能***通过直流母线分别与负载和可再生能源电连接，由储能***包括六个工作状态，如图6所示，其中Ub为蓄电池当前端电压，Udc为直流母线电压，Udc_N为直流母线额定电压；
状态1：状态1时Udc≥Udc_N，所述可再生能源能够独立维持直流母线电压稳定，且有多余能量给蓄电池充电；
状态2：在状态1的基础上蓄电池储存的电能增加，直至饱和，此时转化为状态2，蓄电池退出运行；
状态3：状态3时Udc＜Udc_N，可再生能源不能独立维持功率平衡，直流母线电压下降，此时，蓄电池放电，向直流母线回馈电能，维持功率平衡，直流母线电压稳定；
状态4：在状态3维持进行的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源供能不足，剩余少量电能，此时转化为状态4，断开负载，可再生能源给蓄电池充电；
状态5：状态5时，可再生能源停止工作，退出运行，蓄电池支撑直流母线稳定，维持功率平衡；
状态6：在状态5的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源停止运行，此时转入状态6，蓄电池停止工作、负载断开、直流母线中没有功率流动；
在上述电路***的运行中，通过以变换器主电路为基础的控制***控制蓄电池实现三段式充电法：恒流充电—恒压充电—浮充充电，三段式充电法在恒流充电和恒压充电阶段过程中，模拟了蓄电池的最佳充电曲线，具有较快的充电速度，同时不会对蓄电池造成不必要的损害，在浮充充电阶段，可以补充蓄电池因自放电造成的功率损失，使蓄电池能够长时间保持完全充电状态，有利于延长蓄电池的寿命。
具体而言，利用采样电路采集储能***的电压和电流值，把电压和电流值传递给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据处理运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行放大，直接驱动变换器主电路中的开关管开通或者关断，实现对储能***的供电控制。
工作原理：利用采样电路采集储能***的电压和电流值，把电压和电流值传递给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据处理运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行放大，直接驱动变换器主电路中的开关管开通或者关断，实现对储能***的供电控制，使蓄电池实现三段式充电法，通过这种直流变换器作为主电路，配合DSP控制电路、驱动电路、电压电流信号采样电路和辅助电源电路共同构成储能环节的控制***，根据可再生能源的供应情况准确的控制储能***中储能设备的通断情况，延长储能设备的使用寿命，保证不同工作状况下能量的稳定流动，在可再生能源扰动发生时，以直流变换器为基础的控制***控制储能***在不同工作状态下相互转换，维持负载稳定工作。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流变换器，其特征在于：包括变换器主电路、DSP控制电路、驱动电路、采样电路和辅助电源电路，所述变换器主电路、采样电路、DSP控制电路、驱动电路和辅助电源电路依次电连接；
所述采样电路对储能***的电压和电流信号进行采样，把电压和电流信号放大后反馈给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据的运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行功率放大后，驱动变换器主电路中的开关管开通或关断，以控制储能***中能量的存储或释放，辅助电源电路为DSP控制电路、驱动电路和采样电路供电。
2.根据权利要求1所述的一种直流变换器，其特征在于：采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，所述电压采样电路包括差分电路、第一运算放大器LM358和第二运算放大器LM358，且差分电路、第一运算放大器LM358和第二运算放大器LM358依次串联，所述电压采样电路通过差分电路采集电压信号，通过第一运算放大器LM358对采集的电压信号进行发大，通过第二运算放大器LM358搭建电压跟随器；
所述电流采样电路包括ACS714电流采样芯片，ACS714电流采样芯片具有隔离功能和输出电压偏置。
3.根据权利要求1所述的一种直流变换器，其特征在于：所述驱动电路包括TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125，且TLP555高速光耦和驱动芯片IR2125相串联，驱动芯片IR2125具有自举电路。
4.根据权利要求1所述的一种直流变换器，其特征在于：所述辅助电源电路包括TinySwitch-III主控芯片，TinySwitch-III主控芯片包括功率MOSFET和电源控制器。
5.根据权利要求1所述的一种直流变换器，其特征在于：所述DSP控制电路中把驱动电路传递过来的信号经过abc-dq坐标转换为直流分量的dq坐标值，把这个dq坐标值传送给电路中的PI调节器，PI调节器输出对应的控制值，把控制值经过dq-abc坐标变换转变为abc坐标值。
6.根据权利要求1所述的一种直流变换器，其特征在于：所述变换器主电路和蓄电池组成所述储能***，储能***通过直流母线分别与负载和可再生能源电连接，储能***包括六个工作状态，其中Ub为蓄电池当前端电压，Udc为直流母线电压，Udc_N为直流母线额定电压；
状态1：状态1时Udc≥Udc_N，所述可再生能源能够独立维持直流母线电压稳定，且有多余能量给蓄电池充电；
状态2：在状态1的基础上蓄电池储存的电能增加，直至饱和，此时转化为状态2，蓄电池退出运行；
状态3：状态3时Udc＜Udc_N，可再生能源不能独立维持功率平衡，直流母线电压下降，此时，蓄电池放电，向直流母线回馈电能，维持功率平衡，直流母线电压稳定；
状态4：在状态3维持进行的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源供能不足，剩余少量电能，此时转化为状态4，断开负载，可再生能源给蓄电池充电；
状态5：状态5时，可再生能源停止工作，退出运行，蓄电池支撑直流母线稳定，维持功率平衡；
状态6：在状态5的基础上，蓄电池电能耗尽，可再生能源停止运行，此时转入状态6，蓄电池停止工作、负载断开、直流母线中没有功率流动。
7.一种基于权利要求1所述的直流变换器的控制方法，其特征在于，所述控制方法的操作步骤为：采样电路采集储能***的电压和电流值，把电压和电流值传递给DSP控制电路，DSP控制电路根据反馈信号进行数据运算，并传递PWM触发信号给驱动电路，驱动电路对PWM触发信号进行放大，驱动变换器主电路中的开关管开通或者关断，实现对储能***的供电控制。
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