雙向DC-DC題目解析1106

1、全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目解析全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目解析哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)王王 立立 欣欣20152015年年1111月月7 7日日1 1雙向DC-DC變換器【A題】2 2一、應(yīng)用背景二、任務(wù)與要求三、方案解析四、幾點(diǎn)建議3 3 航天器由若干分系統(tǒng)組成，分為有效載荷和航天器平臺(tái)兩大類。有航天器由若干分系統(tǒng)組成，分為有效載荷和航天器平臺(tái)兩大類。有效載荷用于直接執(zhí)行特定的航天任務(wù)，而航天器平臺(tái)由航天器結(jié)構(gòu)平臺(tái)效載荷用于直接執(zhí)行特定的航天任務(wù)，而航天器平臺(tái)由航天器結(jié)構(gòu)平臺(tái)和服務(wù)與支持系統(tǒng)組成。服務(wù)與支持系統(tǒng)用以保障航天器的正常工作，和服務(wù)與支持系統(tǒng)組成。服務(wù)與支持系統(tǒng)用以保障航天器的正

2、常工作，一般包括熱控分系統(tǒng)、一般包括熱控分系統(tǒng)、電源分系統(tǒng)電源分系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、無、姿態(tài)控制系統(tǒng)、軌道控制系統(tǒng)、無線電測(cè)控系統(tǒng)、返回著陸系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、應(yīng)急救生系統(tǒng)、數(shù)據(jù)保線電測(cè)控系統(tǒng)、返回著陸系統(tǒng)、生命保障系統(tǒng)、應(yīng)急救生系統(tǒng)、數(shù)據(jù)保管系統(tǒng)等等。根據(jù)具體情況有所取舍，但電源分系統(tǒng)不可或缺，它是航管系統(tǒng)等等。根據(jù)具體情況有所取舍，但電源分系統(tǒng)不可或缺，它是航天器的能源提供裝置。一旦電源系統(tǒng)不能正常供電，整個(gè)航天器就將喪天器的能源提供裝置。一旦電源系統(tǒng)不能正常供電，整個(gè)航天器就將喪失功能其功能，變成毫無用處的太空垃圾失功能其功能，變成毫無用處的太空垃圾一、應(yīng)用背景航天器電源系

3、統(tǒng)4 4一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng)主功率供電回路的額定電壓（母線電壓）三個(gè)等級(jí)：主功率供電回路的額定電壓（母線電壓）三個(gè)等級(jí)：（1）低壓低壓28V，適用功率等級(jí)：，適用功率等級(jí)：1200W；（2 2）中壓）中壓42或或50V，適用功率等級(jí)：，適用功率等級(jí)：2000W水平水平；（3 3）高壓）高壓100V或以上或以上，適用功率等級(jí)：，適用功率等級(jí)：4000W水平水平。航天器中用于產(chǎn)生、貯存和分配電能的各種裝置。電源重量航天器中用于產(chǎn)生、貯存和分配電能的各種裝置。電源重量占航天器重量的占航天器重量的15%25%。分為化學(xué)電源、太陽電池電源。分為化學(xué)電源、太陽電池電源和核電源三類。和核電源三類。目前

4、世界上目前世界上 90%以上的航天器都采用太陽能以上的航天器都采用太陽能電池陣電池陣-蓄電池組構(gòu)成的光伏電源系統(tǒng)蓄電池組構(gòu)成的光伏電源系統(tǒng)一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng) 國(guó)際空間站國(guó)際空間站太陽電池陣總發(fā)電能力為太陽電池陣總發(fā)電能力為105kW，其中美，其中美國(guó)部分國(guó)部分 76kW，俄羅斯部分俄羅斯部分29kW。美國(guó)部分采用。美國(guó)部分采用 120V 母線，俄羅斯部分采用母線，俄羅斯部分采用28V 母線，母線，并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)換為并網(wǎng)時(shí)轉(zhuǎn)換為 120V。美國(guó)部分的。美國(guó)部分的 4 個(gè)太陽電池翼組成個(gè)太陽電池翼組成 4 個(gè)太陽電池個(gè)太陽電池光伏光伏電源系統(tǒng)，順序分流器為電源系統(tǒng)，順序分流器為 82 級(jí)級(jí)20k

5、Hz 的固態(tài)開關(guān)，將太陽電池陣電壓粗略的固態(tài)開關(guān)，將太陽電池陣電壓粗略調(diào)節(jié)在調(diào)節(jié)在 138173V 間，再經(jīng)直流間，再經(jīng)直流直流轉(zhuǎn)換裝置（直流轉(zhuǎn)換裝置（DDCU）調(diào)節(jié)成）調(diào)節(jié)成 120126V，分配給美、日、歐空局的各實(shí)驗(yàn)艙，流向俄羅斯曙光號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的電分配給美、日、歐空局的各實(shí)驗(yàn)艙，流向俄羅斯曙光號(hào)實(shí)驗(yàn)艙的電源變換為源變換為 28V電壓電壓一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng)載人飛船電源系統(tǒng)載人飛船電源系統(tǒng)載人飛船軌道運(yùn)行高度為 300400Km，軌道周期約為 91min，其中軌道最長(zhǎng),陰影時(shí)間 37min，最短光照時(shí)間 54min。航天器電源系統(tǒng)一、應(yīng)用背景一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)控制拓?fù)湫?/p>

6、式電源系統(tǒng)控制拓?fù)湫问?電源系統(tǒng)控制方式主要包括 S3R 型、混合型及 S4R 型功率調(diào)節(jié)三種，混合型功率調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的太陽電池陣布陣方式是供電、充電分陣式，而S4R/S3R 型功率調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的太陽電池陣布陣方式是供電、充電陣共用。S3R 型功率調(diào)節(jié)技術(shù)（型功率調(diào)節(jié)技術(shù)（Sequential Switching Shunt Regulator 順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)）順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)）太陽電池的發(fā)電功率通過太陽電池的發(fā)電功率通過“分流調(diào)節(jié)分流調(diào)節(jié)”全部變換為母線功率，一部分直接給負(fù)載全部變換為母線功率，一部分直接給負(fù)載供電，另一部分則通過供電，另一部分則通過“充電調(diào)節(jié)充電調(diào)節(jié)”變換為充電功率為蓄電池組充電

7、；蓄電池組變換為充電功率為蓄電池組充電；蓄電池組功率通過功率通過“放電調(diào)節(jié)放電調(diào)節(jié)”變換為母線功率。對(duì)太陽電池發(fā)電功率的使用優(yōu)先級(jí)依次變換為母線功率。對(duì)太陽電池發(fā)電功率的使用優(yōu)先級(jí)依次為供電、充電、分流。充電功率可以視作母線的可調(diào)負(fù)載。為供電、充電、分流。充電功率可以視作母線的可調(diào)負(fù)載。一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng)混合型功率調(diào)節(jié)技術(shù)是混合型功率調(diào)節(jié)技術(shù)是 ESA 在在 20 世紀(jì)世紀(jì) 80 年代末研制出的，目前在國(guó)內(nèi)外高年代末研制出的，目前在國(guó)內(nèi)外高/低軌低軌衛(wèi)星上普遍使用。設(shè)置供電陣和充電陣，配置合理的電流在光照區(qū)為蓄電池組充電；衛(wèi)星上普遍使用。設(shè)置供電陣和充電陣，配置合理的電流在光照區(qū)為蓄電

8、池組充電；當(dāng)蓄電池組充滿后通過充電控制進(jìn)行切換，分流掉充電陣的功率。機(jī)動(dòng)陣可根據(jù)需當(dāng)蓄電池組充滿后通過充電控制進(jìn)行切換，分流掉充電陣的功率。機(jī)動(dòng)陣可根據(jù)需要在供電陣與充電陣之間切換。要在供電陣與充電陣之間切換。一、應(yīng)用背景航天器電源系統(tǒng)S4R 型功率調(diào)節(jié)技術(shù)（串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)）是型功率調(diào)節(jié)技術(shù)（串聯(lián)順序開關(guān)分流調(diào)節(jié)）是 20 世紀(jì)世紀(jì) 90 年代中期研制出的，年代中期研制出的，目前在國(guó)內(nèi)外高目前在國(guó)內(nèi)外高/低軌衛(wèi)星較多采用。不區(qū)分供電陣、充電陣和機(jī)動(dòng)陣。采用多級(jí)并低軌衛(wèi)星較多采用。不區(qū)分供電陣、充電陣和機(jī)動(dòng)陣。采用多級(jí)并聯(lián)充電，在光照區(qū)無論處于供電分流狀態(tài)還是充電分流狀態(tài)，始終都只有一路工

9、作聯(lián)充電，在光照區(qū)無論處于供電分流狀態(tài)還是充電分流狀態(tài)，始終都只有一路工作在開關(guān)狀態(tài)，其它路要么工作在供電狀態(tài)，要么工作在分流狀態(tài)，要么工作在充電在開關(guān)狀態(tài)，其它路要么工作在供電狀態(tài)，要么工作在分流狀態(tài)，要么工作在充電狀態(tài)狀態(tài)一、應(yīng)用背景 直流微網(wǎng) 可再生能源單機(jī)接入電網(wǎng)成本高，并網(wǎng)技術(shù)要求高，因而限制了其大規(guī)模的可再生能源單機(jī)接入電網(wǎng)成本高，并網(wǎng)技術(shù)要求高，因而限制了其大規(guī)模的應(yīng)用，為此學(xué)者們提出了新型的結(jié)網(wǎng)方式應(yīng)用，為此學(xué)者們提出了新型的結(jié)網(wǎng)方式微電網(wǎng)的概念。微電網(wǎng)的概念。 微電網(wǎng)是指將可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和本地負(fù)載結(jié)合起來，組成的區(qū)域型電微電網(wǎng)是指將可再生能源、儲(chǔ)能系統(tǒng)和本地負(fù)載結(jié)合起來

10、，組成的區(qū)域型電網(wǎng)形式。作為獨(dú)立的整體，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在離網(wǎng)狀態(tài)下孤島運(yùn)行。微網(wǎng)形式。作為獨(dú)立的整體，既可以并網(wǎng)運(yùn)行，也可以在離網(wǎng)狀態(tài)下孤島運(yùn)行。微電網(wǎng)的規(guī)模介于新能源發(fā)電與大電網(wǎng)之間，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可以切換成孤電網(wǎng)的規(guī)模介于新能源發(fā)電與大電網(wǎng)之間，當(dāng)大電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，可以切換成孤島模式給本地負(fù)載提供持續(xù)、可靠、高質(zhì)量的電能，從而增強(qiáng)了電網(wǎng)抵御自然災(zāi)島模式給本地負(fù)載提供持續(xù)、可靠、高質(zhì)量的電能，從而增強(qiáng)了電網(wǎng)抵御自然災(zāi)害的能力，減小了大規(guī)模停電帶來的損失。通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制，可以克服微害的能力，減小了大規(guī)模停電帶來的損失。通過對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制，可以克服微電網(wǎng)慣性小、抵抗干擾能力

11、弱等問題電網(wǎng)慣性小、抵抗干擾能力弱等問題，維持微網(wǎng)的功率平衡，減小太陽能、風(fēng)能，維持微網(wǎng)的功率平衡，減小太陽能、風(fēng)能等可再生能源輸出功率波動(dòng)對(duì)外電網(wǎng)的沖擊，能夠較好的吸納可再生能源；微電等可再生能源輸出功率波動(dòng)對(duì)外電網(wǎng)的沖擊，能夠較好的吸納可再生能源；微電網(wǎng)還可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度或用戶的需要，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，是實(shí)現(xiàn)能源利用高網(wǎng)還可以根據(jù)電網(wǎng)調(diào)度或用戶的需要，實(shí)現(xiàn)能量的合理分配，是實(shí)現(xiàn)能源利用高效、清潔、多元化的重要手段，將會(huì)是未來智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分效、清潔、多元化的重要手段，將會(huì)是未來智能電網(wǎng)建設(shè)的重要組成部分一、應(yīng)用背景直流微網(wǎng) 在組成微電網(wǎng)的各種微源中，光伏電池、蓄電池以及燃料電池

12、都是直流電在組成微電網(wǎng)的各種微源中，光伏電池、蓄電池以及燃料電池都是直流電源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，都是電壓、頻率不穩(wěn)定的交流電源，在并網(wǎng)時(shí)源，風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等，都是電壓、頻率不穩(wěn)定的交流電源，在并網(wǎng)時(shí)也需要先轉(zhuǎn)換為直流。將各微源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流母線，有利于各微源之也需要先轉(zhuǎn)換為直流。將各微源以及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入直流母線，有利于各微源之間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以及協(xié)調(diào)控制，直流微網(wǎng)已成為微電網(wǎng)技術(shù)研究的新方向之一。間的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)以及協(xié)調(diào)控制，直流微網(wǎng)已成為微電網(wǎng)技術(shù)研究的新方向之一。主要優(yōu)點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)： 1）易于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，通過控制直流母線電壓的穩(wěn)定可實(shí)現(xiàn)功率平衡；）易于實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，通過控制直流

13、母線電壓的穩(wěn)定可實(shí)現(xiàn)功率平衡； 2）不需要考慮頻率、相位、無功環(huán)流以及復(fù)雜的并網(wǎng)算法等問題，因此控）不需要考慮頻率、相位、無功環(huán)流以及復(fù)雜的并網(wǎng)算法等問題，因此控制簡(jiǎn)單可靠，能夠快速地實(shí)現(xiàn)功率流動(dòng)及能量調(diào)度；制簡(jiǎn)單可靠，能夠快速地實(shí)現(xiàn)功率流動(dòng)及能量調(diào)度； 3）直流微網(wǎng)中能量由直流母線經(jīng)過集中逆變器注入電網(wǎng)，有效地減少了變）直流微網(wǎng)中能量由直流母線經(jīng)過集中逆變器注入電網(wǎng)，有效地減少了變流器的數(shù)量和容量，具有較高的效率和較好的經(jīng)濟(jì)性；流器的數(shù)量和容量，具有較高的效率和較好的經(jīng)濟(jì)性； 4）并網(wǎng)逆變器可有效地隔離電網(wǎng)的擾動(dòng)，并將微網(wǎng)作為一個(gè)有機(jī)整體，對(duì)）并網(wǎng)逆變器可有效地隔離電網(wǎng)的擾動(dòng)，并將微網(wǎng)作為一

14、個(gè)有機(jī)整體，對(duì)主網(wǎng)提供一定的動(dòng)態(tài)支持。主網(wǎng)提供一定的動(dòng)態(tài)支持。對(duì)于雙向?qū)τ陔p向DC-DC變換變換器，國(guó)內(nèi)研究較多。器，國(guó)內(nèi)研究較多。CNKI（2010-15年）年）學(xué)位論文：學(xué)位論文：28篇篇期刊論文：期刊論文：40篇篇南航：嚴(yán)仰光老師南航：嚴(yán)仰光老師 設(shè)計(jì)并制作用于電池儲(chǔ)能裝置的雙向DC-DC變換器，實(shí)現(xiàn)電池的充放電功能，功能可通過按鍵設(shè)定，亦可自動(dòng)轉(zhuǎn)換。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，圖中除直流穩(wěn)壓電源外，其他器件均需自備。電池組由5節(jié)18650型，容量20003000mAh的鋰離子電池串聯(lián)組成。 任務(wù)二、任務(wù)與要求接通S1、S3，斷開S2，將裝置設(shè)定為充電模式。（1）U2=30V條件下，實(shí)現(xiàn)對(duì)電池恒

15、流充電，充電電流I1在1-2A范圍內(nèi)步進(jìn)可調(diào)，步進(jìn)值不大于0.1A，電流控制精度不低于5%。（2）設(shè)定I1=2A，調(diào)整直流穩(wěn)壓電源輸出電壓，使U2在2436V范圍內(nèi)變化時(shí)，要求充電電流I1的變化率不大于1%。（3）設(shè)定I1=2A，在U2=30V條件下，變換器效率 。（4）測(cè)量并顯示充電電流I1，在I1=12A范圍內(nèi)測(cè)量精度不低于2%。（5）具有過充保護(hù)功能：設(shè)定I1=2A，當(dāng)U1超過閾值 時(shí)，停止充電 二、任務(wù)與要求基本要求基本要求190%1th240.5VU（1）斷開S1、接通S2，將裝置設(shè)定為放電功能，能夠保持U2=300.5V，且變換器效率 。（2）接通S1、S2，斷開S3，調(diào)整直流穩(wěn)壓

16、電源輸出電壓，使Us在3238V范圍內(nèi)變化時(shí)，雙向DC-DC電路能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)換工作模式并保持U2=300.5V。（3）在滿足要求的前提下簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減輕重量，使雙向DC-DC變換器、測(cè)控電路與輔助電源三部分的總重量不大于500g。 （4）其他。二、任務(wù)與要求發(fā)揮部分發(fā)揮部分295%三、方案解析主回路拓?fù)渲骰芈吠負(fù)淙?、方案解析主回路拓?fù)渲骰芈吠負(fù)淙⒎桨附馕鲋骰芈吠負(fù)渲骰芈吠負(fù)淙?、方案解析控制方法控制方法硬件控制：集成硬件控制：集成PWM控制器控制器軟件控制：軟件控制：PI調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) 采樣電阻+差分放大器三、方案解析電流檢測(cè)電流檢測(cè)三、方案解析電流檢測(cè)電流檢測(cè) 采樣電阻+電流檢測(cè)放大器 學(xué)校重視，建好平臺(tái)，用好平臺(tái)，增加受益面培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。 把參加競(jìng)賽作為學(xué)習(xí)過程，注重積累，不要錦標(biāo)，不要急功近利。四、幾點(diǎn)建議正確對(duì)待競(jìng)賽正確對(duì)待競(jìng)賽 充分重視模擬電路充分重視模擬電路 數(shù)字電路數(shù)字