第1章绪论
1.1引言
我们知道，利用可再生的新型能源进行分布式发电日益受到各个国家的重视，其解决了能源短缺问题，且能源利用率高，输出电能质量高，与大电网互为备用电源，得到广泛的研究，同时又由于分布式电源接入大电网后带来稳定性、成本等方面的问题，于是有学者提出微电网的概念。微电网分直流微电网和交流微电网，直流微电网通过直流母线，集中控制各分布式电源的能量供电给负载，与交流微电网相比，减少了能量变化带来的损耗，在当今直流负载（如计算机设备，手机电池等）越来越多的情况下，直流微电网的研究有着重大的意义。
海上舰船供电系统中，一般都是靠发电机发电维持舰船上设备的供电，支撑着舰船的正常航行。在舰船上应用直流微电网，如图1-1所示，利用海上太阳能、风能等清洁能源，经直流电力调节器或者整流器输出到直流母线，给直流负载供电，同时直流母线经逆变器转换成市电满足舰船上的生活用电；如果此时能量充足，还可以经过双向DC/DC变换器即双向直流电力调节器给蓄电池充电；如果分布式电源供电不足，再启动发电机，输出市电和整流输出到直流母线供电给直流负载，或蓄电池放电经过双向直流电力调节器输出到直流母线。此供电系统大大的提高了能源利用的效率，同时减少对海洋环境的污染。在舰船直流微电网供电系统中，双向直流电力调节器发挥了重要的作用，在太阳能、风能、燃料等新型清洁能源充足的时候，给蓄电池充电储存能量作备用电源，在新型能源供电不足或者舰船需要隐藏，不能使用噪声大的燃油发电机时，又能让蓄电池充当分布式供电系统中的一员给直流母线供电。
1.2研究目的和意义
单向直流电力调节器即单向DC/DC变换器其能量传递的方向只能是从输入传递到输出，但是在输入与输出定义可相互置换，使得能量传递方向也随之反向的场合无法实现功能要求。例如能将能量双向传递的充电机主要功能是将电网能量传递给电池充电，如果电源异常出现中断，它可将电池电能放电提供给电网，作为备用电源向电网供电；直流电动机控制用电力调节器也是需要双向传递能量，制动状态下，电机电能通过电力调节器回馈到电源，电动状态下，电源供电给电动机。在上述能量双向传递情况下，如果仍然使用单向直流电力调节器，则必须反向并联使用两台单向电力调节器以达到能量双向传递的目的，如图1-2所示，电路结构复杂，每台单向直流电力调节器只能让能量向一个方向流动，实际应用中完全没有这个必要，一台双向电力调节器就可以实现上述功能。
1.3国内外研究现状
目前我们研究的基本上还是十几年前就存在的电源电路系统拓扑结构，无论从电源系统性能或电源成本来说，那些存在十几年的电源拓扑结构都或多或少存在着一些需要改进的地方。单就目前大功率充放电型电源发展的趋势来看，基于大规模生产及系统维护的需要，选用任何一种拓扑结构做成的单向直流电源都不会改变功率器件、磁性元件局限性的局面。由单向直流电力调节器发展而来的双向直流电力调节器电源系统，以其可靠性高、功率范围广，维护成本低等优点，成为电源系统的重要发展趋势。
从上个世纪八十年代初美国学者提出使用升降压式双向直流电力调节器用于人造卫星太阳能电源系统开始，后来九十年代香港大学的教授成功研制电动车驱动用的双向直流电力调节器、澳大利亚的学者在PESC上发表文章总结双向直流电力调节器的拓扑结构、美国弗吉尼亚大学教授着手研究应用于燃料电池的双向直流电力调节器，以及本世纪初浙江大学和南京航空航天大学的学者分别对双向直流电力调节器进行研究等，双向直流电力调节器到如今已经发展了三十年有余，在航空航天、风力发电等新型能源的二次能源开发、电动汽车驱动电源、备用电源等领域逐步取得了自己的一席之地。
第2章双向直流电力调节器总体方案设计
2.1双向直流电力调节器总体结构
本文要设计一台20 kW放电10 kW充电的双向直流电力调节器，如图2-1所示功能结构图，该直流电力调节器一端是铅酸蓄电池组，另一端是直流总线电压。
2.2双向直流电力调节器指标要求
直流总线端电压为380V±20V，蓄电池组经过串并联后输出电压范围在300V~430VDC,电力调节器运行时通过CAN总线接收来自外部的命令控制能量流向，要求双向直流电力调节器具有显示输入和输出过压、欠压、过流、欠流及可自动检测输出端出现短路情形的功能，且运行状态通过LCD显示，同时还能用上位机监控并记录实时数据。放电时负载端（DC BUS)采用电阻性负载箱，充电时供电端采用直流稳]1电源模拟DC BUS,得到双向直流电力调节器基本规格如表2-1所示。
2.3双向直流电力调节器总体方案
根据双向直流电力调节器的功能作用和技术规格要求，设计出双向直流电力调节器结构框图如图2-2虚线框内结构所示，整个电路由双向DC/DC变换电路，隔离驱动与保护电路，控制器MCU电路，电压、双向电流检测电路，通讯接口电路等几部分组成。
第3章 双向直流电力调节器硬件.....................................17-40
3.1 双向DC/DC变换电路 .....................................17-20
3.2调节器充放电模式研究..................................... 20-31
3.3 主电路参数设计 .....................................31-34
3.4 电压、双向电流检测电路..................................... 34-35
3.5 隔离驱动与保护电路..................................... 35-38
3.6 通讯接口电路..................................... 38-39
3.7 本章小结..................................... 39-40
第4章调节器建模与控制器设计..................................... 40-59
4.1平均法的建模分析 .....................................40-49
4.2电力调节器模型的建立..................................... 49-50
4.3调节器数字控制器设计..................................... 50-58
4.3.1 小信号模型结构框图 .....................................50-52
4.3.2 放电模式控制器设计..................................... 52-55
4.3.3 充电模式控制器设计..................................... 55-56
4.3.4 数字控制器设计..................................... 56-58
4.4 本章小结 .....................................58-59
第5章 实验研究与性能测试..................................... 59-66
5.1 放电模式试验与分析 .....................................60-61
5.2 充电模式试验与分析..................................... 61-62
5.3直流电力调节器性能实测..................................... 62-66
结论
(1) 分析了研究双向直流电力调节器的重大意义，分别列举了在电动汽车、卫星太阳能电池阵系统、UPS系统等场合不可替代的地位的具体原因，回顾了双向直流电力调节器相关技术在国内外的研究现状。
(2) 从整体上论述了双向直流电力调节器的总体方案，根据双向直流电力调节器在应用环境下的总体结构，和设计指标要求，确定选用全桥隔离型的主电路结构，并介绍了方案中各个辅助电路模块的设计思路。
(3) 在总体方案的基础上，介绍了双向DC/DC变换电路的基本拓扑结构和各种结构的应用场合。针对放电模式和充电模式详细分析了全桥隔离双向直流电力调节器的工作原理，设计了主电路主要器件的参数，并分别详细阐述了双向直流电力调节器各个辅助电路模块的工作原理，并提出了一种基于驱动模块的可靠稳定的保护电路。
(4) 分别讨论了 Buck和Boost电力调节器的小信号模型，并由此推导出全桥隔离双向直流电力调节器的小信号模型。为方便电力调节器控制模型的研究，蓄电池用串联的小阻值电阻和恒压源等效，在小信号模型的基础上建立闭环控制系统，设计PI控制器，并将设计好的模拟的PI控制器数字化，满足了被控对象稳定输出的要求。
(5) 按照放电和充电过程，叙述了本设计的试验与分析的过程，并根据测试得出的效率曲线，分析不同输入输出情况下，对电力调节器输出效率的影响。