摘要:滑模变结构控制具有鲁棒性强,动态品质好等优点。文中以Buck三电平为例论述利用滑模变结构的理论分析,设计了Buck三电平变换器的方法,详细讨论了滑模面的选取对系统性能的影响,并进行了等效控制、稳定性和存在性的证明。最后将滑模控制buck三电平与传统的PWM控制Buck三电平变换器进行了仿真分析和比较。研究结果验证了滑模变结构控制策略可以大大提高变换器的鲁棒性和动态品质。
关键词:滑模变结构控制;三电平变换器;脉宽调制
1992年Pinheio J Renes提出了零电压开关三电平变换器[2],该变换器是一种新型的功率变换器,其开关应力为直流电压的一半,非常适合于输入电压高,输出功率大的场合。三电平技术充分体现了“采用有源控制的方式减小无源器件体积”的学术思想。然而在实际应用中,三电平变换器中一般采用脉宽调制和交错控制相结合的方法来实现对多个开关管的驱动,采用PWM控制有其缺陷,即它的控制性能依赖于系统参数,而且由于三电平变换器自身的开关数目多,为实现稳定的三电平工作,其工作模态比较复杂,要实现对三电平变换器的有效快速控制非常困难。
为了提高和改善系统的稳定性,抗负载扰动及参数摄动等,现代控制理论如非线性反馈线性化控制,滑模变结构控制等智能控制被应用到功率变换器中。在各种控制策略中,滑模变结构控制在电力电子系统中改善系统的鲁棒性,动态品质,简化控制电路的设计等方面取得一些成果。
滑模控制通常适用于在两个模态之间切换的系统。然而,三电平变换器开关器件多,工作模态复杂,本文在利用脉冲波形积分法[3]对三电平变换器统一建模的基础上得到两个等效子拓扑后,再将滑模控制用于该变换器中,并对Buck三电平变换器的滑模控制设计方法做了详细的论述。仿真结果表明其动态品质和鲁棒性都比较好,对工程实现是一种进一步的探索。在Matlab下仿真,给定电压从200V突变到180V,由仿真结果可知,在滑模控制方式下系统经过2ms后达到稳定状态。可见滑模控制三电平变换器的电压非常稳定,具有良好的动态品质。在负载扰动仿真中,电阻由10Ω突变到20Ω时的电压波形,滑模控制方式下系统有较强的抗干扰性。
本文将滑模控制应用于buck三电平变换器中,在文献[3]建模的基础上利用滑模控制算法进行仿真,详细分析了滑模控制在Buck三电平变换器中的设计方法,并分析、比较了不同滑模系数对系统的影响。最后对三电平变换器分别利用滑模控制和PWM控制进行了仿真比较。结果表明,滑模控制应用在Buck三电平变换器中相对于传统的PWM控制方式在鲁棒性和动态品质上都有较大的优势。同样,滑模控制方法可以推广到其他的功率变换器中来提高系统的鲁棒性和动态性能。
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