船舶混合动力系统双向DC/DC变换器模糊PID控制

魏岩+沈爱弟+高迪驹

摘要：

为提高船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的性能，通过分析混合动力系统工作模式，设计出船舶混合动力系统双向DC/DC变换器仿真模型.基于此，提出该变换器模糊PID控制方法.采用单个模糊PID补偿环节实现了BiBuck/BoostDC/DC变换器的稳定输出.仿真结果表明：模糊PID控制能有效提高系统抗干扰能力，保证双向DC/DC变换器具有良好的动态性能和稳态性能.

关键词：

混合动力船舶；双向DC/DC；模糊PID

中图分类号：U665.13

文献标志码：A 收稿日期：20150825 修回日期：20151113

0引言

与传统的机械推进系统相比，电力推进系统具有更好的经济性、操纵性和安全性，且它的噪音低，并有利于船舶控制环境污染.[12]然而，受到船舶对设备质量和体积的限制以及新能源存储技术的影响，与传统的柴油机推进系统相比，现阶段多数纯电动船舶还未能

满足人们对船舶性能的需求.因此，研究混合动力电动船舶可为船舶从柴油发电机组单独供电过渡到纯电动供电提供可行性方案.

双向DC/DC变换器在混合动力系统中起着重要作用，是船舶混合动力系统的关键设备之一.[34]图1是串联式船舶混合动力系统结构原理，双向DC/DC变换器连接在动力电池与直流母线之间，控制动力电池能量的流向与大小.由动力电池供电时，动力电池通过DC/DC变换器向直流母线传递电能；当能量回流时，直流母线将剩余电能回馈给动力电池进行充电.可见，双向DC/DC变换器是混合动力能量控制系统的核心部件，变换器输出电能应具有良好的稳定性和动态性.

DC/DC变换器是一种采用开关方式控制的直流稳压电源.近年来发展起来的模糊控制是一种仿人智能控制法，它不依赖被控对象的数学模型，便于利用人的经验知识进行控制.将模糊控制技术引入DC/DC变换器是目前研究的热点.文献[5]和[6]将模糊PID控制运用到Buck变换器中，获得了良好的稳态响应和动态响应.文献[7]设计了一种简单的模糊PID控制器，并进行了扰动实验，结果表明模糊PID控制器具有良好的抗干扰性能.文献[8]和[9]运用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor，DSP）实现了Buck变换器的模糊PID控制，同样得到了较好的实验结果.文献[10]运用模糊控制实现了Boost变换器的输出稳定，证明了模糊控制对Boost变换器有良好的控制效果.模糊控制对一些复杂的和难以用准确的数学模型描述的系统是非常适宜的，特别是对无法确定的复杂对象具有较好的控制性能.在船舶混合动力系统中，动力电池不断变换充放电模式，要求能量双向流动，这需要结构简单、输出稳定的双向DC/DC变换器.本文基于这一要求提出双向DC/DC变换器的模糊PID控制，保证双向DC/DC变换器两端输出电能的稳定性和抗扰性.

1混合动力双向DC/DC变换器模型分析

1.1变换器拓扑分析

图2为船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的主电路拓扑，其

中V1，V2分别代表直流母线和动力电池的端电压，通过混合动力能量管理策略选择动力电池充放电模式.动力电池放电时，变换器处于Boost模式，变换器须维持稳定的电压输出，但由于受动力电池电量的影响，动力电池放电电压随着时间下降，同时受需求功率的影响，负载电阻时刻变化，这对输出电压稳定性提出了挑战.当动力电池充电时，变换器处于Buck模式，保持输出电压在可靠范围内同样重要.

1.2控制器结构

双向DC/DC变换器要同时兼顾动力电池可随时充、放电的要求，这对混合动力系统能量控制策略是否可实现至关重要.传统的DC/DC变换器控制方法是通过调节PI控制器开关器件的通断时间，达到调节输出电压目的的，但由于DC/DC变换器的非线性特点，往往达不到预期的控制效果.模糊PID控制可动态修正控制器参数，提高系统抗干扰性能，因此本文选择电压反馈模糊PID控制器.如图3所示：将双向DC/DC变换器稳压端输出电压与参考值的误差量E作为电压反馈模糊PID控制器的输入；d是对误差E求导，得到的误差变化率dE/dt作为模糊PID控制器的另一个输入.本文先由变换器参数设计出单PID控制器，在此基础上按照控制要求设计通用模糊控制规则.模糊控制器的输出与PID控制器的输出相乘后生成新的控制量，控制量再与频率为50kHz的锯齿波比较产生PWM波，进而控制DC/DC变换器的IGBT.这里K4和K5是输入比例系数，调节K4和K5能使输入量在合理的控制区间内；K6是输出比例系数，反复调节K6使模糊控制器有更好的输出与PID控制器输出相结合，从而保证变换器输出的稳定性和动态性.

1.3PID控制器设计

当动力电池对外供电时，DC/DC变换器处于Boost模式；当直流母线对动力电池充电时，DC/DC变换器处于Buck模式.设图2中IGBT1的占空比为D，引入拉氏符号s，则变换器的Buck模式小信号模型[11]为

同样，变换器的Boost模式小信号模型为

在双端稳压情况下，要求PID控制器能对两个方向的DC/DC变换器进行稳定调节.文献[12]通过对DC/DC变换器模型进行分析，设计出单个PID控制器对双向DC/DC变换器进行稳定调节，并证明此法可行.设系统参数为V1=100V，V2=48V，R1=20Ω，R2=5Ω，参考电压Vref为5V.根据电流连续时电感及电容取值条件[7]，设计电感L=50μH，电容C1=C2=100μF.

式（3）为反馈分压的传递函数表达式，由该式得到Buck模式和Boost模式的反馈分压比分别为

对Buck模式和Boost模式下DC/DC变换器的传递函数同时进行PID的设计，最后配置PID控制器的传递函数

1.4模糊控制器设计

船舶混合动力能量管理系统可对变换器发出充电和放电指令，当变换器接收指令并发生切换或有

外在干扰时往往会产生电压或电流尖峰，这无论对变换器、动力电池还是供电母线都是不利的.模糊PID控制器使变换器在Buck模式和Boost模式下得到良好的动态响应和稳态性能的同时，抑制尖电压或电流尖峰.模糊规则如表1所示，模糊控制器有两个输入量，E和dE/dt.对E和dE/dt定义5个语言值，分别为NB（负大）、NS（负小）、ZE（不变）、PS（正小）、PB（正大）.设计一个输出变量U，定义5个语言值，分别为DIVB（除大）、DIV（除）、NU（不变）、MUL（乘）、MULB（乘大）.

再确定输入和输出的隶属度函数，见图5.这里选择三角形隶属度函数，解模糊化的方法为重心法.E和dE/dt分别经输入比例系数K4和K5作用后作为模糊控制器的输入，模糊控制器的输出经过输出比例系数K6作用后与PID控制器输出结合，与锯齿波比较产生PWM波.可见，选取合适的输入输出隶

属度函数后，只需调节输入和输出比例系数，使模糊控制器有更好的输出与PID控制器输出结合，就能保证变换器输出的稳定性和动态性.

1.5仿真模型建立

利用船舶能量管理系统对供电系统进行综合性分析，确立能量调度、管理原则和实现方法.[13]能量管理系统的实现对DC/DC变换器提出了简单、可控、高效的要求.通过船舶混合动力能量管理系统对DC/DC变换器的需求分析，提出基于单个模糊PID控制器的实现双端稳压的DC/DC变换器控制器.根据图2拓扑结构，运用MATLAB/Simulink设计出船舶混合动力DC/DC变换器双端稳压模糊PID仿真模型.如图6所示，由一个单位阶跃信号（Step1）模拟一次能量管理系统对动力电池由充电模式切换到放电模式.图中：K2和K3分别是两端反馈分压比；R1为模拟负载等效电阻，R2为模拟动力电池内阻，为便于分析和测量，当一端做电源端时忽略该端内阻，另一端断掉电源.通过对电流的动态均值进行检测来自动选择稳压端，模拟动力电池与直流母线间的充放电作用.

2仿真验证

2.1扰动情况仿真

根据本文设计的模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中对变换器的两种工作模式分别进行了仿真，经过反复调节K4，K5和K6后，选取K4为1，K5为0.0002，K6为0.8，使模糊PID控制器控制下的变换器在Buck模式和Boost模式下都有良好的表现.同时与经典PID控制器进行对比研究.

图7为模糊PID控制下和PID控制下的BiBuck/BoostDC/DC变换器输出响应曲线，两端电压分别为100V和48V.在Buck模式下：0.03s时负载端并入了20Ω的电阻，其负载电阻变为10Ω，0.05s时撤下该电阻，模拟负载变化的扰动，观察两种变换器的抗扰性能；0.08s时使输入电压下降为40V，模拟动力电池的供电电压下降时的情况.在Boost模式下：0.02s时负载端并入了5Ω的电阻，其电阻变为2.5Ω，0.04s时撤下该电阻，模拟负载变化的扰动，观察两种变换器的抗扰性能；0.08s时使输入电压下降为90V，模拟输入电源的扰动.

由图7可以看到：（1）与经典PID控制相比，模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都能率先稳定，这表明模糊PID控制下的DC/DC变换器具有良好的动态性能.（2）模糊PID控制比PID控制能更好地抵抗负载扰动，抑制扰动造成的尖峰，并且其扰动造成的波动在可接受的范围内.（3）当两种模式下输入电压下降一定幅度时，与经典PID控制相比，模糊PID控制能更好地抵抗来自电源的扰动，表现出了良好的抗扰性能.

2.2切换情况仿真

实现能量双向流动是双向DC/DC变换器的主要特点之一，也是船舶混合动力系统能量管理的要求.文献[14]提出运用电感电流的动态均值来检测电流流动的方向，并根据电流流动的方向，自动选择稳压端.本文根据文献[14]对输出电感电流设置合理的动态采样频率，设计了电流均值控制电路，并仿真验证其在模糊PID控制和PID控制下的切换效果.在0.02s时双向DC/DC变换器由升压向母线供电模式切换到母线向动力电池供电模式，电流反向，控制电路对电流均值进行处理从而输出控制信号，控制选择由IGBT2到IGBT1完成系统由Boost模式到Buck模式的切换.

从图8可以看出：模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都有很好的输出响应；在0.02s切换时，相比于经典的PID控制，模糊PID控制没有出现超调和尖峰的情况.这表明模糊PID控制在切

换时同样能保证变换器的输出电能稳定.

3结论

本文根据船舶混合动力系统工作模式，设计了双向DC/DC变换器双端稳压仿真模型，并用单模糊PID控制器实现了双向DC/DC变换器的输出电压稳定.仿真实验结果表明，本文中设计的模糊PID控制器具有良好的动态性能，不论对负载扰动还是电源扰动都有较强的稳定性，尤其在抗电源干扰方面有良好的表现，证明该设计可行.

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