雙積分滑模控制電壓平衡器的研究范文

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摘要：基于Buck-Boost電壓平衡器構架的雙極性直流微電網獲得了廣泛研究。其中有效地控制電壓平衡器使系統(tǒng)正、負極電壓保持相等，從而保證系統(tǒng)的供電電能質量。針對Buck-Boost電壓平衡器的控制，設計一種雙積分滑模控制器。該方法考慮了系統(tǒng)的非線性和工作動態(tài)，并采用雙積分滑模面以減小穩(wěn)態(tài)誤差。實驗結果表明，相比傳統(tǒng)的PI控制器，本文設計的控制器能有效縮短動態(tài)調節(jié)時間和減小正、負極電壓差值。

關鍵詞：Buck-Boost電壓平衡器；雙極性直流微電網；雙積分滑模控制器

引言

隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和新能源技術的發(fā)展，直流微電網獲得了廣泛的研究[1]，特別是雙極性直流微電網由于其容量大、多電壓等級等優(yōu)點，已逐步應用于工業(yè)中[2]。雙極性直流微電網運行時，應使系統(tǒng)正、負極輸出的電壓相等以保證系統(tǒng)供電電能質量。基于電壓平衡器構架的雙極性直流微電網是雙極性直流微電網常見的一種形式，其設計相對靈活，運行可靠性較高，擴展性較強[3-4]。現有的文獻中，已經提出多種電壓平衡器的結構，本文研究常規(guī)的Buck-Boost電壓平衡器的控制。Buck-Boost電壓平衡器大多采用PI控制器[5-6]，雖然PI控制器在一定范圍內能獲得良好的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)效果，但是大范圍工作狀態(tài)下很難取得良好效果[7-9]。滑模控制是一種非線性控制，具有全局穩(wěn)定、魯棒性強、容易實現等優(yōu)點。近年來，有學者將滑模控制引入到電力電子系統(tǒng)的控制中，并取得優(yōu)越的效果[8-9]。本文設計一種雙積分滑模(DoubleIntegralSlidingMode，DISM)控制器運用在Buck-Boost電壓平衡器的控制中。本文首先研究Buck-Boost電壓平衡器的狀態(tài)方程，然后針對PI控制器存在的問題設計一種雙積分滑模控制器，最后實驗結果表明本文設計的控制方法優(yōu)于PI控制。

1Buck-Boost電壓平衡器結構

Buck-Boost電壓平衡器結構如圖1所示。其中Vin為輸入電壓；L為電感，流過的電流為iL；S1、S2為開關管；C1、C2為電容，設兩個電容的電容值相等為C；R1、R2代表正、負極負荷；up、un分別為正、負極電壓；LN表示中線，iN為中線電流。為了使硬件驅動開關管方便，兩個開關管互補導通。其工作狀態(tài)有兩種，如圖2所示。狀態(tài)1，S1導通，S2關斷，狀態(tài)方程為：假設S2導通的占空比為d，根據式(1)、式(2)可得系統(tǒng)的平均狀態(tài)方程為：由式(3)可知，穩(wěn)態(tài)時，微分項為零，up=un，可推出iN=iL，d=0.5，即理想狀態(tài)下，開關管S1和S2的占空比相等為0.5。

2Buck-Boost電壓平衡器的控制

2.1PI控制算法傳統(tǒng)PI控制方法

通常如圖3所示。采用電壓電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)是電壓環(huán)，輸入為正、負極電壓，相減得到電壓誤差ev，經過PI調節(jié)（kp1和ki1分別是電壓環(huán)比例系數和電壓環(huán)積分系數）和電流上下限的調整得到Buck-Boost電壓平衡器的電感參考電流iLref。內環(huán)是電流環(huán)，電壓環(huán)得到的電感參考電流iLref與實際的電感電流iL相減得到電流誤差ei，0.5與電流誤差ei經過PI調節(jié)（kp2和ki2分別是電流環(huán)比例系數和電流環(huán)積分系數）得到的值相減得到下管S2的占空比d，S1的導通信號與S2互補。

2.2DISM控制算法

2.2.1確定滑模面文獻[10]和[11]指出，雙積分滑模面有減小穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)勢，本文設計雙積分滑模面。因此滑模控制器滑模面選取為：其中x1是正、負極電壓誤差；x2是電感電流誤差；x3是正、負極電壓誤差和電感電流誤差的一階積分；x4是正、負極電壓誤差和電感電流誤差的二階積分；iLref=K(up-un)，K>0，為了加快系統(tǒng)的動態(tài)響應和減小穩(wěn)誤差，K適當取大；α1、α2、α3、α4為滑動系數。2.2.2求取控制器控制律當Buck-Boost電壓平衡器上管電壓大于下管電壓時，S為正，應使下管關斷，使更多的能量傳到負極，以降低上管電壓；下管電壓大于上管電壓時，S為負，應該使下管導通，使更多的能量傳到正極，以降低下管電壓。所以控制函數選取為：u=u-，S>0u+，S<乙0(5)其中u=u-表示開關管S2的邏輯狀態(tài)為關斷，u=u+表示開關管S2的邏輯狀態(tài)為導通。滑模面的一階導數為：S觶=α1x觶1+α2x觶2+α3x觶3+α4x觶4(6)結合式(3)和式(6)，通過求解方程S觶=0可得到控制器的等效控制量ueq為：其中ueq的取值范圍在0到1之間，ueq即開關管S2的占空比d。DISM控制器的結構如圖4所示。2.2.3存在條件通過控制函數選擇合適的開關狀態(tài)使得滑模控制器滿足達到條件。存在條件獲得的方法是檢驗局部可達性條件，即：使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，選取的控制器參數K、α1、α2、α3、α4必須滿足不等式(9)、式(10)和式(11)。0<ueq<1(11)

3實驗驗證

為了驗證所設計的DISM控制器的性能，搭建了基于STM32F103的Buck-Boost電壓平衡器數字控制實驗平臺。實驗平臺框圖如圖5所示。控制電路分別實現PI控制算法和DISM控制算法以進行對比分析。負載是可突變電阻負載，模擬正、負極負荷突變情況。其余電路參數和控制器參數如表1所示。

3.1實驗工況

1實驗工況1：R1=11.6Ω，R2=18Ω，初始時，正、負極電壓不加控制，兩個開關管不導通，后加入電壓平衡的控制，兩個開關管互補導通。PI控制和DISM控制的實驗結果如圖6所示。從圖6(a)、圖6(b)中可以看出，從加入電壓平衡控制到正、負電壓幾乎相等的過程中，PI控制的調節(jié)時間約為6ms，DISM控制調節(jié)時間約為4ms。相比PI控制，DISM控制的調節(jié)時間縮短了約33.3%。

3.2實驗工況

2實驗工況2：初始時，R1=11.6Ω，R2=18Ω，后改變R2，使其突變到R2=8Ω，R1一直保持不變。兩種控制的實驗結果圖如圖7所示。從圖7(a)、圖7(b)中可以看出，從電阻突變到正、負極電壓再次穩(wěn)定，PI控制的調節(jié)時間約為14ms，DISM控制調節(jié)時間為約5ms。相比PI控制，DISM控制的調節(jié)時間縮短了約64.3%；PI控制引起的正、負極電壓差約為1.8V，DISM控制引起的正、負極電壓差約為1V。相比PI控制，DISM控制使電壓差減小了約44.4%。實驗工況1和工況2的結果表明，本文所設計的控制算法能夠提高Buck-Boost電壓平衡器的控制動態(tài)性能，有效抑制正、負極電壓的波動。

4結論

本文采用雙積分滑模控制器控制Buck-Boost電壓平衡器。在建立變換器的狀態(tài)方程基礎上，通過雙積分滑模控制算法得到開關管的控制量。實驗結果表明，變換器剛加入控制算法時，雙積分滑模控制器能加快系統(tǒng)的響應，縮短調節(jié)時間；工作過程中負荷突變時，雙積分滑模控制器能縮短動態(tài)調節(jié)時間和減小正、負極電壓差。但上述研究還存在不足，其僅僅考慮了電壓平衡器負荷的簡單變化情況，但是Buck-Boost電壓平衡器在實際的雙極性直流微電網系統(tǒng)中面對的工作環(huán)境比較復雜，有待進一步研究。

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作者：黃奇林 曹江華 丁杰 單位：華南理工大學