双向DC/DC变换器鲁棒滑模控制

2021-10-27邹浩彦

物联网技术 2021年10期

李博，邹浩彦

（1.中国航空工业集团公司第一飞机设计研究院，陕西西安 710089；2.空装驻西安地区第一军事代表室，陕西西安 710089）

0 引言

随着国家倡导开发可再生的绿色清洁能源，太阳能、风能等[1]在发电系统中的应用得到了大力提倡与发展。但其自身存在随机性和不可预测性，且容易随着环境而产生较大的波动，因此需要采用电力储能技术经电力电子变换后，向负载提供能量。

近几年，在电力电子技术应用领域中，开关型DC/DC变换器以其高可靠性，高转换效率以及较小体积等优点获得了工业、军事、计算机控制系统、不间断电源、汽车制造业、国防航天、无线通信和电子变频器等领域的青睐[2]。特别是电力电子变换技术越发成熟，双向DC/DC变换器已被广泛应用于需要能量双向流动的场合。由于负载的多样性与工作环境的不确定性，对变换器造成的各种扰动使得输出电压产生波动，不利于负载的稳定运行。因此，寻找合适的控制策略以保证系统参数的不敏感性与高可靠性，以确保系统稳定运行。白立鹏[3]采用PID控制与滑模控制相结合的方法，实现双向DC/DC变换器在电源或负载变化下输出电压的稳定控制。文献[4]根据双向DC/DC变换器CCM和DCM模式下的电路特性，提出了一种结合滞环控制的滑模控制方法，并通过实验验证了Buck模式下的鲁棒性与快速性。文献[5]基于高阶滑模控制实现了Buck-Boost变换器在大扰动下的鲁棒性。

论文从双向DC/DC变换器的参数不敏感性和输出稳定性出发，针对变换器模型的非线性与时变性建立变换器状态方程，设计基于Super-Twisting（ST）的电压外环、电流内环控制算法，对非线性参数变化、电源和负载扰动对变换器性能的影响进行分析。

1 双向变换器拓扑与建模分析

1.1 拓扑结构

图1为非隔离型双向DC/DC变换器拓扑，它可以看作是Buck电路与Boost电路的组合，当S2工作S1截止时，电路中的能量流动方向为V1至V2，当S1工作S2截止时电路中的能量流动方向相反。通过模态分析可知，不论能量的流向，S1和S2互补工作，V1和V2间的关系相同，因此变换器具有良好的可逆性。

图1 非隔离性双向DC/DC拓扑结构

1.2 建模分析

按照小信号模型条件，变换器工作在电流连续模式（CCM）下的Buck模式的状态方程为：

式（1）、式（2）中，u为S1工作状态，iL为电感电流。

2 ST滑模控制器设计

由文献[6]可知，ST算法具有需要知道切换面的信息少、算法相对阶数为1、计算简便、抖振小等优势。论文所设计的双向变换器控制策略如图2所示。电流内环、电压外环均采用ST算法分别设计。

图2 ST控制策略框图

2.1 Boost模式电流内环设计与稳定性分析

由ST控制律选取滑模面s1=iL-Iref，Iref为电感电流参考值。内环控制律为：

2.2 Boost模式电压外环设计与稳定性分析

2.3 Buck模式电流内环设计与稳定性分析

2.4 Buck模式电压外环设计与稳定性分析

3 仿真分析

搭建双向DC/DC变换器仿真模型，变换器参数见表1所列，电源、负载和电路参数变化范围设定为±20%。控制器参数为α1=100，λ1=0.12，α2=2 000，λ2=4.015，α3=500.05，λ3=1.25，α4=950，λ4=3.1。

表1 变换器电路参数

选取的工作点和电路参数见表2所列。

表2 工作点和电路参数

3.1 参数变化仿真分析

从图3、图4可以看出，输出电压曲线无超调，调节时间为1.3～2.3 ms。变换器的输出电压在电路不同参数的条件下一致且无超调，调节时间约为1.3 ms。ST算法自身对参数不敏感，使得使用双闭环滑模（ST+ST）控制时，变换器在各种情况下的输出特性基本相同。

图3 Buck模式下变换器参数变化输出电压

图4 Boost模式下变换器参数变化输出电压

3.2 模式切换仿真分析

模式切换仿真结果如图5所示。state变量表示电路的工作状态：state=1表示电路工作于Buck模式；state=0表示电路工作于Boost模式。

由图5可知，在0.02 s时改变系统原来的工作状态，由Buck模式切换至Boost模式时，高压侧电压突降至119 V，约2 ms恢复，电感电流由3 A变化至-4.3 A。由Boost模式切换至Buck模式时，低压侧电压突降至22 V，约1 ms恢复，电感电流由-4.3 A变化至3 A。由此可知，系统实现了电流的两象限运行。仿真结果进一步验证了前文对电路拓扑工作模态分析、模型建立及控制器设计的正确性。