雙向DC/DC變換器魯棒滑模控制

李 博，鄒浩彥

（1.中國航空工業集團公司第一飛機設計研究院，陜西 西安 710089；2.空裝駐西安地區第一軍事代表室，陜西 西安 710089）

0 引 言

隨著國家倡導開發可再生的綠色清潔能源，太陽能、風能等[1]在發電系統中的應用得到了大力提倡與發展。但其自身存在隨機性和不可預測性，且容易隨著環境而產生較大的波動，因此需要采用電力儲能技術經電力電子變換后，向負載提供能量。

近幾年，在電力電子技術應用領域中，開關型DC/DC變換器以其高可靠性，高轉換效率以及較小體積等優點獲得了工業、軍事、計算機控制系統、不間斷電源、汽車制造業、國防航天、無線通信和電子變頻器等領域的青睞[2]。特別是電力電子變換技術越發成熟，雙向DC/DC變換器已被廣泛應用于需要能量雙向流動的場合。由于負載的多樣性與工作環境的不確定性，對變換器造成的各種擾動使得輸出電壓產生波動，不利于負載的穩定運行。因此，尋找合適的控制策略以保證系統參數的不敏感性與高可靠性，以確保系統穩定運行。白立鵬[3]采用PID控制與滑模控制相結合的方法，實現雙向DC/DC變換器在電源或負載變化下輸出電壓的穩定控制。文獻[4]根據雙向DC/DC變換器CCM和DCM模式下的電路特性，提出了一種結合滯環控制的滑模控制方法，并通過實驗驗證了Buck模式下的魯棒性與快速性。文獻[5]基于高階滑模控制實現了Buck-Boost變換器在大擾動下的魯棒性。

論文從雙向DC/DC變換器的參數不敏感性和輸出穩定性出發，針對變換器模型的非線性與時變性建立變換器狀態方程，設計基于Super-Twisting（ST）的電壓外環、電流內環控制算法，對非線性參數變化、電源和負載擾動對變換器性能的影響進行分析。

1 雙向變換器拓撲與建模分析

1.1 拓撲結構

圖1為非隔離型雙向DC/DC變換器拓撲，它可以看作是Buck電路與Boost電路的組合，當S2工作S1截止時，電路中的能量流動方向為V1至V2，當S1工作S2截止時電路中的能量流動方向相反。通過模態分析可知，不論能量的流向，S1和S2互補工作，V1和V2間的關系相同，因此變換器具有良好的可逆性。

圖1 非隔離性雙向DC/DC拓撲結構

1.2 建模分析

按照小信號模型條件，變換器工作在電流連續模式（CCM）下的Buck模式的狀態方程為：

式（1）、式（2）中，u為S1工作狀態，iL為電感電流。

2 ST滑模控制器設計

由文獻[6]可知，ST算法具有需要知道切換面的信息少、算法相對階數為1、計算簡便、抖振小等優勢。論文所設計的雙向變換器控制策略如圖2所示。電流內環、電壓外環均采用ST算法分別設計。

圖2 ST控制策略框圖

2.1 Boost模式電流內環設計與穩定性分析

由ST控制律選取滑模面s1=iL-Iref，Iref為電感電流參考值。內環控制律為：

2.2 Boost模式電壓外環設計與穩定性分析

2.3 Buck模式電流內環設計與穩定性分析

2.4 Buck模式電壓外環設計與穩定性分析

3 仿真分析

搭建雙向DC/DC變換器仿真模型，變換器參數見表1所列，電源、負載和電路參數變化范圍設定為±20%。控制器參數為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

選取的工作點和電路參數見表2所列。

表2 工作點和電路參數

3.1 參數變化仿真分析

從圖3、圖4可以看出，輸出電壓曲線無超調，調節時間為1.3～2.3 ms。變換器的輸出電壓在電路不同參數的條件下一致且無超調，調節時間約為1.3 ms。ST算法自身對參數不敏感，使得使用雙閉環滑模（ST+ST）控制時，變換器在各種情況下的輸出特性基本相同。

圖3 Buck模式下變換器參數變化輸出電壓

圖4 Boost模式下變換器參數變化輸出電壓

3.2 模式切換仿真分析

模式切換仿真結果如圖5所示。state變量表示電路的工作狀態：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時改變系統原來的工作狀態，由Buck模式切換至Boost模式時，高壓側電壓突降至119 V，約2 ms恢復，電感電流由3 A變化至-4.3 A。由Boost模式切換至Buck模式時，低壓側電壓突降至22 V，約1 ms恢復，電感電流由-4.3 A變化至3 A。由此可知，系統實現了電流的兩象限運行。仿真結果進一步驗證了前文對電路拓撲工作模態分析、模型建立及控制器設計的正確性。

圖5 模式切換仿真結果

4 結 語

論文從雙向DC/DC變換器參數敏感性和模式切換出發，對不同工作模式下的控制策略進行了詳細的介紹，設計了電路在2個不同工作模態下的電流內環、電壓外環ST滑模控制器。仿真結果證明了變換器模型以及控制策略的正確性。