多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制策略研究
摘要:针对一种基于多重化结构的双向DC-DC变换器拓扑结构提出PI滑模变结构控制策略,实现自动跟踪参考目标电压值、单元电路电感电流间实现均流的目的。给出多重化双向DC-DC变换器的工作原理,得到双向DC-DC变换器变结构模型,对适用于多重化双向DC-DC变换器的双闭环PI滑模变结构控制策略进行了深入分析,运用等效控制理论分析了滑模变结构控制的存在和稳定条件,并利用等效输入的调制方式使变换器在定开关频率下运行。PI滑模变结构控制方案充分发挥了快速响应和鲁棒性强的优点。仿真结果证明理论分析的正确性。
关键词:电力电子;双闭环;等效控制;滑模变结构控制
0引言
所有为开关变换器设计的控制器事实上都是周期性的时变结构的控制器,通常有2个可能的δ值,依次轮流改变变换器的拓扑结构。变换器通过强制δ(t)=1或δ(t)=0来创建开关函数δ(t),达到开通或关断电力电子器件的目的[1-2]。滑模变结构控制策略是通过控制量的切换使系统状态沿着滑模面滑动,使系统在受到参数摄动和外干扰时具有不变性[1-23]。与传统PWM控制方式的开关变换器相比,滑模变结构控制方式的开关变换器
具有良好的动态特性、鲁棒性以及在电源和负载大范围变化时能保持系统稳定性等优点[1-23]。多种滑模控制方式已用于控制DC-DC开关变换器,但因滑模控制方式要求全状态变量反馈,且需相应的基准参考量,故增加了电路设计的复杂性[20-21]。
首先分析了多重化双向DC-DC变换器的工作原理,继而得出双向DC-DC变换器的变结构模型,针对多重化双向DC-DC变换器提出一种新的PI滑模变结构控制策略,实现调控电压、单元电路电感电流间均流的目的。最后给出了仿真结果。
1多重化双向DC-DC变换器
为减小变换器电感电流纹波、电流谐波含量和滤波器体积,适应DC-DC变换器滤波网络参数的优化,把几个结构相同的基本变换器适当组合(一种特殊的并联,一般是开关管触发相位错开一定角度)构成另一种复合型DC-DC变换器,称之为多重化DC-DC变换器。以三重化为例,图1所示的即为三重化双向DC-DC变换器,其电路拓扑结构是在电源Udc和Ufc之间接入3个相同的基本变换电路(Buck或Boost电路),其中VT1~VT6是IGBT,Ld是滤波电感,Cd是滤波电容。VT1、VT3、VT5工作时作三重化Buck电路运行,VT2、VT4、VT6工作时作三重化Boost电路运行。约定变换器采用PWM调制方式,3个臂的开关管开始导时间互错Ts/3。若在1个开关周期T中,3组开关器件导通时间相同,则3个单元基本变换电路电感电流i(L1)(t)、iL(2)(t)、i(L3)(t)是相位相差Ts/3、波形完全相同的脉动电流。但可能存在2组背靠背开关管同时均有1管导通的情形,从而形成通路,即变换器内部可能存在环流,因此在设计控制器时要考虑消除变换器内部的环流。
2双向DC-DC变换器变结构模型
假定负载为阻性负载,以电感电流iL和电容电压uC为状态变量,忽略电感和电容的寄生电阻,又根
据上述多重化双向DC-DC变换器工作原理分析,
可得出单元双向DC-DC变换器变结构模型。其中,
当变换器作为Buck电路运行时,变结构模型如图2
(a)所示;当变换器作为Boost电路运行时,变结构模型如图2(b)所示。
3多重化双向DC-DC变换器PI滑模变结构控制方案
对于多重化双向DC-DC变换器而言,其控制目标是:单元电路电感电流间实现均流(即消除单元电路间可能存在的环流)、调控电压Udc(Ufc)、对于负载或输入电压变化具有优良的瞬态响应性能[18]。为达到上述控制目标而采用双闭环控制系统,控制原理如图3所示。外环为电压环(又称直流环),采用传统的PI调节器实现对电压的校正,从而达到调控电压的目的;内环为电流负反馈环(又称交流环),采用滑模变结构控制实现对单元电感电流的校正。由于外环PI调节器的输出作为内环滑模控制的参考基准,无须求取电流滑模基准,因此提高了控制方案的实用性。
其中,采用电流负反馈的优点是:拥有内在限流能力;改善了开关调节系统的稳定性和瞬态特性;当几个单元开关变换器并联运行时,应用双闭环系
统,每个单元开关变换器有独立的电流负反馈,并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路,使各个电流反馈系统有相同的参考(给定)电流值,这样就可以实现几个单元开关变换器之间的均流或负荷的自动分配。
该控制方案将传统的线性控制与滑模变结构控制相结合,采用双闭环控制方式解决滑模变结构控制变换器中出现的稳态误差和电流基准难以测量的问题。如图3所示,内环所采用的滑模变结构控制方式具有快速的动态响应特性,用以保证iL跟踪电流基准Iref,以保证各单元电路电感电流间的均流,同时,为了补偿传统滑模变结构控制方法存在的输出稳态误差,在滑模切换面中引入输出电压积分项;外环的PI调节器,保持电压Udc(Ufc)恒定。外环的输出Iref作为内环滑模变结构控制的电流基准。外环PI校正使得系统在负载变化时能够保持Udc(Ufc)稳定,其中的
积分项可用来消除Udc(Ufc)的稳态误差。
3.1构建滑模切换面设uCd为期望电容电压,标准化期望电容电压x2d=uCd/Ufc。下面考虑选择滑模切换面。
一个自然的选择是s(x)=uC-uCd,但通过证明该滑模切换面不稳定[5]。同时引入输出电压误差的积分环节来消除输出电压的稳态误差,即可得:
s(x)=kP(uC-uCd)+KIt0’(uC-uCd)dt
但该滑模切换面函数不包括iL这个状态变量,且其稳定性未知[4]。
另一个自然的选择是s(x)=x1-x22/RL,虽然经证明其是渐进稳定的,但该滑模切换面函数含R,不可实现对负载变化的鲁棒性。
4计算机仿真结果及分析
多重化变换器电路仿真参数设置为:Ufc=650 V,fs=3450 Hz,Ld=400μH,Cd=81 mF,Uref=240 V。参数选择标准是保持系统稳定和快速的动态响应性能,在跟踪期望电压值时超调量小和纹波电流小[1,16]。取kI=1,kP=0.02,Gk=0.002。
运用Matlab Simulink对上述多重化双向大功率DC-DC变换器PI滑模变结构控制策略进行计算机仿真研究,仿真控制方框图如图4所示,设定稳压目标是Uref=300 V。
5结论
本文将PI控制和滑模变结构控制相结合,成功地应用于多重化双向DC-DC功率变换器控制中,实现了自动跟踪设定的目标电压基准值和平均变换器单元电路间的电感电流的控制目标。通过等效控制理论给出了滑模变结构控制存在的滑模区域。并使变换器在定开关频率下运行。仿真结果表明PI滑模变结构控制方案具有电路实现简易及启动性能好和快速动态性能、对电压和负载大幅度突变具有良好的鲁棒性等优点,作为多重化双向DC-DC变换器的一种控制策略是切实可行的。 |
