雙向DC/DC變換器魯棒滑?？刂?/h1>
2021-10-27 09:01:46鄒浩彥
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù) 2021年10期 關(guān)鍵詞：分析設(shè)計(jì)
李 博，鄒浩彥
（1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司第一飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710089；2.空裝駐西安地區(qū)第一軍事代表室，陜西 西安 710089）
0 引 言
隨著國(guó)家倡導(dǎo)開(kāi)發(fā)可再生的綠色清潔能源，太陽(yáng)能、風(fēng)能等[1]在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用得到了大力提倡與發(fā)展。但其自身存在隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，且容易隨著環(huán)境而產(chǎn)生較大的波動(dòng)，因此需要采用電力儲(chǔ)能技術(shù)經(jīng)電力電子變換后，向負(fù)載提供能量。
近幾年，在電力電子技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域中，開(kāi)關(guān)型DC/DC變換器以其高可靠性，高轉(zhuǎn)換效率以及較小體積等優(yōu)點(diǎn)獲得了工業(yè)、軍事、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、不間斷電源、汽車(chē)制造業(yè)、國(guó)防航天、無(wú)線通信和電子變頻器等領(lǐng)域的青睞[2]。特別是電力電子變換技術(shù)越發(fā)成熟，雙向DC/DC變換器已被廣泛應(yīng)用于需要能量雙向流動(dòng)的場(chǎng)合。由于負(fù)載的多樣性與工作環(huán)境的不確定性，對(duì)變換器造成的各種擾動(dòng)使得輸出電壓產(chǎn)生波動(dòng)，不利于負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行。因此，尋找合適的控制策略以保證系統(tǒng)參數(shù)的不敏感性與高可靠性，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。白立鵬[3]采用PID控制與滑模控制相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)雙向DC/DC變換器在電源或負(fù)載變化下輸出電壓的穩(wěn)定控制。文獻(xiàn)[4]根據(jù)雙向DC/DC變換器CCM和DCM模式下的電路特性，提出了一種結(jié)合滯環(huán)控制的滑?？刂品椒ǎ⑼ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了Buck模式下的魯棒性與快速性。文獻(xiàn)[5]基于高階滑?？刂茖?shí)現(xiàn)了Buck-Boost變換器在大擾動(dòng)下的魯棒性。
論文從雙向DC/DC變換器的參數(shù)不敏感性和輸出穩(wěn)定性出發(fā)，針對(duì)變換器模型的非線性與時(shí)變性建立變換器狀態(tài)方程，設(shè)計(jì)基于Super-Twisting（ST）的電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制算法，對(duì)非線性參數(shù)變化、電源和負(fù)載擾動(dòng)對(duì)變換器性能的影響進(jìn)行分析。
1 雙向變換器拓?fù)渑c建模分析
1.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
圖1為非隔離型雙向DC/DC變換器拓?fù)洌梢钥醋魇荁uck電路與Boost電路的組合，當(dāng)S2工作S1截止時(shí)，電路中的能量流動(dòng)方向?yàn)閂1至V2，當(dāng)S1工作S2截止時(shí)電路中的能量流動(dòng)方向相反。通過(guò)模態(tài)分析可知，不論能量的流向，S1和S2互補(bǔ)工作，V1和V2間的關(guān)系相同，因此變換器具有良好的可逆性。
圖1 非隔離性雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2 建模分析
按照小信號(hào)模型條件，變換器工作在電流連續(xù)模式（CCM）下的Buck模式的狀態(tài)方程為：
式（1）、式（2）中，u為S1工作狀態(tài)，iL為電感電流。
2 ST滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
由文獻(xiàn)[6]可知，ST算法具有需要知道切換面的信息少、算法相對(duì)階數(shù)為1、計(jì)算簡(jiǎn)便、抖振小等優(yōu)勢(shì)。論文所設(shè)計(jì)的雙向變換器控制策略如圖2所示。電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)均采用ST算法分別設(shè)計(jì)。
圖2 ST控制策略框圖
2.1 Boost模式電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
由ST控制律選取滑模面s1=iL-Iref，Iref為電感電流參考值。內(nèi)環(huán)控制律為：
2.2 Boost模式電壓外環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
2.3 Buck模式電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
2.4 Buck模式電壓外環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
3 仿真分析
搭建雙向DC/DC變換器仿真模型，變換器參數(shù)見(jiàn)表1所列，電源、負(fù)載和電路參數(shù)變化范圍設(shè)定為±20%?？刂破鲄?shù)為α1=100，λ1=0.12，α2=2 000，λ2=4.015，α3=500.05，λ3=1.25，α4=950，λ4=3.1。
表1 變換器電路參數(shù)
選取的工作點(diǎn)和電路參數(shù)見(jiàn)表2所列。
表2 工作點(diǎn)和電路參數(shù)
3.1 參數(shù)變化仿真分析
從圖3、圖4可以看出，輸出電壓曲線無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間為1.3～2.3 ms。變換器的輸出電壓在電路不同參數(shù)的條件下一致且無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為1.3 ms。ST算法自身對(duì)參數(shù)不敏感，使得使用雙閉環(huán)滑模（ST+ST）控制時(shí)，變換器在各種情況下的輸出特性基本相同。
圖3 Buck模式下變換器參數(shù)變化輸出電壓
圖4 Boost模式下變換器參數(shù)變化輸出電壓
3.2 模式切換仿真分析
模式切換仿真結(jié)果如圖5所示。state變量表示電路的工作狀態(tài)：state=1表示電路工作于Buck模式；state=0表示電路工作于Boost模式。
由圖5可知，在0.02 s時(shí)改變系統(tǒng)原來(lái)的工作狀態(tài)，由Buck模式切換至Boost模式時(shí)，高壓側(cè)電壓突降至119 V，約2 ms恢復(fù)，電感電流由3 A變化至-4.3 A。由Boost模式切換至Buck模式時(shí)，低壓側(cè)電壓突降至22 V，約1 ms恢復(fù)，電感電流由-4.3 A變化至3 A。由此可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流的兩象限運(yùn)行。仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了前文對(duì)電路拓?fù)涔ぷ髂B(tài)分析、模型建立及控制器設(shè)計(jì)的正確性。
圖5 模式切換仿真結(jié)果
4 結(jié) 語(yǔ)
論文從雙向DC/DC變換器參數(shù)敏感性和模式切換出發(fā)，對(duì)不同工作模式下的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，設(shè)計(jì)了電路在2個(gè)不同工作模態(tài)下的電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)ST滑模控制器。仿真結(jié)果證明了變換器模型以及控制策略的正確性。
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圖1 非隔離性雙向DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
1.2 建模分析
按照小信號(hào)模型條件，變換器工作在電流連續(xù)模式（CCM）下的Buck模式的狀態(tài)方程為：
式（1）、式（2）中，u為S1工作狀態(tài)，iL為電感電流。
2 ST滑?？刂破髟O(shè)計(jì)
由文獻(xiàn)[6]可知，ST算法具有需要知道切換面的信息少、算法相對(duì)階數(shù)為1、計(jì)算簡(jiǎn)便、抖振小等優(yōu)勢(shì)。論文所設(shè)計(jì)的雙向變換器控制策略如圖2所示。電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)均采用ST算法分別設(shè)計(jì)。
圖2 ST控制策略框圖
2.1 Boost模式電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
由ST控制律選取滑模面s1=iL-Iref，Iref為電感電流參考值。內(nèi)環(huán)控制律為：
2.2 Boost模式電壓外環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
2.3 Buck模式電流內(nèi)環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
2.4 Buck模式電壓外環(huán)設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析
3 仿真分析
搭建雙向DC/DC變換器仿真模型，變換器參數(shù)見(jiàn)表1所列，電源、負(fù)載和電路參數(shù)變化范圍設(shè)定為±20%?？刂破鲄?shù)為α1=100，λ1=0.12，α2=2 000，λ2=4.015，α3=500.05，λ3=1.25，α4=950，λ4=3.1。
表1 變換器電路參數(shù)
選取的工作點(diǎn)和電路參數(shù)見(jiàn)表2所列。
表2 工作點(diǎn)和電路參數(shù)
3.1 參數(shù)變化仿真分析
從圖3、圖4可以看出，輸出電壓曲線無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間為1.3～2.3 ms。變換器的輸出電壓在電路不同參數(shù)的條件下一致且無(wú)超調(diào)，調(diào)節(jié)時(shí)間約為1.3 ms。ST算法自身對(duì)參數(shù)不敏感，使得使用雙閉環(huán)滑模（ST+ST）控制時(shí)，變換器在各種情況下的輸出特性基本相同。
圖3 Buck模式下變換器參數(shù)變化輸出電壓
圖4 Boost模式下變換器參數(shù)變化輸出電壓
3.2 模式切換仿真分析
模式切換仿真結(jié)果如圖5所示。state變量表示電路的工作狀態(tài)：state=1表示電路工作于Buck模式；state=0表示電路工作于Boost模式。
由圖5可知，在0.02 s時(shí)改變系統(tǒng)原來(lái)的工作狀態(tài)，由Buck模式切換至Boost模式時(shí)，高壓側(cè)電壓突降至119 V，約2 ms恢復(fù)，電感電流由3 A變化至-4.3 A。由Boost模式切換至Buck模式時(shí)，低壓側(cè)電壓突降至22 V，約1 ms恢復(fù)，電感電流由-4.3 A變化至3 A。由此可知，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電流的兩象限運(yùn)行。仿真結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了前文對(duì)電路拓?fù)涔ぷ髂B(tài)分析、模型建立及控制器設(shè)計(jì)的正確性。
圖5 模式切換仿真結(jié)果
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