一種基于滑模控制的雙向DC/DC變換器的研究

摘 ?要： 論文針對(duì)航空靜止變流器前端DC/DC級(jí)在大擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)的快速性和魯棒性，本文采用一種以變換器狀態(tài)變量誤差的線性組合的滑模算法為主控制器，以BUCK/BOOST雙向DC-DC變換器為被控對(duì)象對(duì)該拓?fù)溥M(jìn)行模態(tài)分析，其次對(duì)兩種工作模態(tài)下分別進(jìn)行滑模面的設(shè)計(jì)及可達(dá)性條件的證明。在Matlab/Simulink環(huán)境下，進(jìn)行仿真驗(yàn)證，與PI算法進(jìn)行對(duì)比分析。仿真結(jié)果表明該滑模算法在大擾動(dòng)下對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的快速性及魯邦性較PI算法有較大的改善和提高。

關(guān)鍵詞： 魯棒性;滑模;雙向;變換器;可達(dá)性

中圖分類(lèi)號(hào)： TN624 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.06.049

本文著錄格式：黨樂(lè). 一種基于滑?？刂频碾p向DC/DC變換器的研究[J]. 軟件，2019，40（6）：212218

【Abstract】： Based on fast response and robustness of front-end DC/DC stage of aeronautical static converter under large disturbance， the paper takes a sliding mode algorithm based on linear combination of converter state variable errors as main controller， carries on topology modal analysis with controlled object of BUCK/BOOST bidirectional DC-DC converter， then designs sliding mode surfaces under two modes respectively， proves the accessibility condition. Under environment of Matlab/Simulink， carry out simulation and compare with PI algorithm. Simulation results show the fast response and robustness of sliding mode algorithm under large disturbances are better than those of PI algorithm.

【Key words】： Robustness; Sliding mode; Bidirectional; Converter; Accessibility

0 ?引言

隨著科技的進(jìn)步與發(fā)展，人類(lèi)對(duì)能源的需求日益迫切，對(duì)傳統(tǒng)能源持續(xù)的開(kāi)采和使用，會(huì)使人類(lèi)即將面臨能源枯竭的危機(jī)，況且傳統(tǒng)能源的頻繁使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和危害。特別是近些年，國(guó)內(nèi)大多數(shù)城市都被嚴(yán)重的霧霾所籠罩，嚴(yán)重地影響了人們的生活和健康。能源和環(huán)境問(wèn)題已經(jīng)被視為現(xiàn)階段人類(lèi)所面臨的兩個(gè)重要的主題。為了使這一壓力得以緩解，世界各國(guó)人民都在為尋求可再生的綠色能源而努力，例如太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能等綠色能源現(xiàn)在正被人們所大力提倡[1]。迄今為止，此類(lèi)可再生能源在發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，更是得到了前所未有的發(fā)展。但是可再生能源本身具有隨機(jī)性和不可預(yù)測(cè)性，容易遭受環(huán)境的影響，波動(dòng)性比較大，因此就需要經(jīng)過(guò)電力電子變換以及控制技術(shù)處理后，連接到母線上向負(fù)載提供能量。在電力電子變換以及控制應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，雙向DC/DC變換器的研究與應(yīng)用變得更加廣泛和流行。

美國(guó)弗吉尼亞理工學(xué)院未來(lái)能源研究中心的Jason.Lai博士也開(kāi)展了一些雙向DC/DC變換器方面的研究，主要應(yīng)用在小型燃料電池發(fā)電系統(tǒng)[2];弗吉尼亞學(xué)院未來(lái)能源電子中心的余文松教授采用準(zhǔn)方波零電壓軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研制的雙向DC/DC變換器，在滿載時(shí)效率可達(dá)98%[3];香港理工大學(xué)的謝智剛教授研究了并聯(lián)均流技術(shù)在雙向DC/DC變換器上的應(yīng)用[4];南京航空航天大學(xué)張方華博士在2004年的博士論文中提出了許多新型的適合于雙向變換應(yīng)用場(chǎng)合的應(yīng)用電路，研究了其控制模型，通過(guò)雙向控制模型的分析，采用PID補(bǔ)償環(huán)節(jié)的單電壓閉環(huán)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定[1]。

針對(duì)航空靜止變流器前端DC-DC級(jí)變換器，為提高系統(tǒng)在大擾動(dòng)下響應(yīng)的快速性和魯棒性，本文采用一種以變換器狀態(tài)變量誤差的線性組合的滑模算法為主控制器，以雙向BOOST/BUCK變換器為被控對(duì)象，在輸入電壓源及負(fù)載發(fā)生大擾動(dòng)下，在MATLAB/Simulink環(huán)境下對(duì)輸出電壓的魯棒性及快速響應(yīng)性進(jìn)行仿真分析，并將PI和傳統(tǒng)滑?？刂菩ЧM(jìn)行仿真對(duì)比分析。最后以DSP28335為主功率控制器分別對(duì)兩種算法進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該種滑模算法在輸入電壓源及負(fù)載擾動(dòng)下比PI算法的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，魯棒性強(qiáng)。

1 ?雙向BUCK/BOOST拓?fù)浼澳B(tài)分析

1.1 ?雙向BUCK/BOOST DC/DC變換器拓?fù)?/p>

圖1.1為論文研究的雙向BUCK/BOOST DC/DC變換器電路主功率拓?fù)鋄5]。該電路拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)在于變換器結(jié)構(gòu)拓?fù)浜?jiǎn)單，功率器件少，通過(guò)合理的控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)功率流正反向的流通。原理圖1中的U1指的是低壓側(cè)電壓源，U2指高壓側(cè)輸出電壓。

圖1所示的雙向BUCK/BOOST DC/DC變換器的基本工作原理為：電路由U1側(cè)向U2側(cè)工作時(shí)，為BOOST工作模式，S1與S2互補(bǔ)導(dǎo)通;電路由U2側(cè)向U1側(cè)工作時(shí)，為BUCK工作模式，S1與S2互補(bǔ)導(dǎo)通，其具體工作模態(tài)分析見(jiàn)1.2節(jié)內(nèi)容。

1.2 ?雙向BUCK/BOOST DC/DC變換器的模態(tài)分析

雙向BUCK/BOOST DC-DC變換器按照電路電感電流極性可將工作模式有三種如圖2所示。

第一種為BOOST工作模式，其等效電路圖如圖3所示，能量從U1向U2側(cè)，iL自左向右，iL極性為正，如圖2上圖所示。在0～ton階段，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，等效電路圖如圖3（a）所示，iL在U1的作用下增加。在ton～T階段，S1截止，S2導(dǎo)通，此時(shí)S2

的作用與D2的作用相同起續(xù)流作用，其等效電路圖如圖3（b）所示，電源電壓與電感共同向U2提供能量。下一個(gè)周期重復(fù)0～T的控制策略。BOOST工作模式時(shí)U2=U1/（1D1），式中D1為S1的占空比，由于S1和S2互補(bǔ)導(dǎo)通，所以S2的占空比為Dy= （1D1）。

第二種為BUCK模式，其等效電路圖如圖4所示，能量從U2向U1側(cè)，iL自右向左，iL極性為負(fù)，如圖2中圖所示。在ton～T階段，S2導(dǎo)通，S1關(guān)斷，等效電路圖如圖4（a）所示，iL在U1的作用下增加。在0～ton階段，S2截止，S1導(dǎo)通，此時(shí)S1的作用與D1的作用相同起續(xù)流作用，其等效電路圖如圖3（b）所示，下一個(gè)周期重復(fù)0～T的控制策略。BUCK工作模式時(shí)U1=U2Dy，式中Dy為S2的占空比，由于S1和S2互補(bǔ)導(dǎo)通，所以S1的占空比為D1=（1Dy）。

開(kāi)關(guān)模態(tài)1[0～t1]：D1續(xù)流，iL自iLmin反向降到0，等效電路圖見(jiàn)圖5（a），S1為D1續(xù)流期間導(dǎo)通，所以S1為零電壓開(kāi)通。

開(kāi)關(guān)模態(tài)2[t1～ton]：在t=t1時(shí)刻，iL=0。此后，S1導(dǎo)通，iL線性增加，在t=ton時(shí)刻，iL=iLmax，S1關(guān)斷。等效電路圖見(jiàn)圖5（b）。

開(kāi)關(guān)模態(tài)3[ton～t2]：D2續(xù)流，iL自iLmax正向降到0，等效電路圖見(jiàn)圖5（c），S2在D1續(xù)流期間導(dǎo)通，所以S2為零電壓開(kāi)通。

開(kāi)關(guān)模態(tài)4[t2～T]：S2導(dǎo)通，iL反向線性增加，在t=T時(shí)刻，iL=iLmin，等效電路圖見(jiàn)圖15（d），下一個(gè)工作模態(tài)重復(fù)工作模態(tài)1直至下一個(gè)工作周期結(jié)束。

2 ?變換器拓?fù)浠谧兘Y(jié)構(gòu)數(shù)學(xué)模型

2.1 ?電路中相關(guān)參數(shù)的設(shè)定

6 ?結(jié)論

論文針對(duì)雙向BUCK/BOOST DC/DC變換器，分別采用滑模算法和PI算法對(duì)主功率電路進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，與PI算法對(duì)比，滑模算法響應(yīng)速快，精度高，并且在輸入電壓大擾動(dòng)及負(fù)載大擾動(dòng)下魯棒性強(qiáng)。

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