CN110176861B - 基于重构积分滑膜变结构的vic控制装置 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种基于重构积分滑膜变结构的虚拟无穷大电容(virtual infinite capacitor,VIC)控制装置，所述装置包括交流电源、整流器、电感、电压检测电路、电流检测电路、电荷控制器、临界控制模块、VIC模块、重构积分滑模变结构控制模块、负载、二极管、开关管；交流电压源经过整流器，电感、开关管、二极管、虚拟无穷大电容器与负载相连，所述的直流母线电压与VIC模块相连，同时通过电压传感器与重构积分滑模变结构控制模块相连，所述重构积分滑模变结构控制模块的输出PWM与VIC模块的开关管相连，VIC的电容C_m的电压V_m通过电压传感器与电荷控制器相连，所述直流母线电流通过电流传感器与电荷控制器相连，所述电荷控制器的输出信号与临界控制模块相连，临界控制模块输出PWM信号与功率因数补偿器(PFC)的开关管相连。本发明通过引入滑模PI控制和积分重构器，通过重新构造滑模面，使VIC因负载波动导致系统充放电平衡被破坏时能快速恢复平衡，提高系统的动态性能，同时降低开关频率和减少功率损耗。

Description

基于重构积分滑膜变结构的VIC控制装置

技术领域

本文发明涉及虚拟无穷大电容(virtual infinite capacitor，VIC)和功率因数补偿器的(PFC)技术领域，具体涉及一种基于重构积分滑膜变结构的虚拟无穷大电容控制方法。

背景技术

近年来，电力电子变换器使用日益广泛，在电力电子变换器中，大容量电容起着无可替代的作用，如模块化多电平变流器(MMC)、功率因数补偿器(PFC)和单相脉宽(PWM)整流器等经常需要使用大容量电容来减少纹波。然而，这会导致变换器的体积增大，功率密度降低。铝制电解电容器可以部分弥补上述缺陷，然而该类型电容器的生命周期较短，这在许多应用场合并不适用。减小电容是提高设备功率密度亟待需要解决的一个问题。

发明内容

为解决上述问题采用了虚拟无穷大电容来实现降低直流母线电压纹波，减少电容容量，增加功率密度的目的，同时也带来了系统动态性变差，以及开关频率过高和功率损耗较大等问题。本文提出了一种应用于虚拟无穷大电容器的重构积分滑模变结构控制装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：一种基于重构积分滑膜变结构的VIC控制装置，包括交流电源、整流器、电感、电压检测电路、电流检测电路、电荷控制器、临界控制模块、VIC模块、重构积分滑模变结构控制模块、负载、二极管、开关管；交流电压源经过整流器，电感、开关管、二极管、虚拟无穷大电容器与负载相连，所述的直流母线电压与VIC模块相连，同时通过电压传感器与重构积分滑模变结构控制模块相连，所述重构积分滑模变结构控制模块的输出PWM与VIC模块的开关管相连，VIC的电容C_m的电压V_m通过电压传感器与电荷控制器相连，所述直流母线电流通过电流传感器与电荷控制器相连，所述电荷控制器的输出信号与临界控制模块相连，临界控制模块输出PWM信号与PFC的开关管相连。

上述重构积分滑膜变结构的VIC控制装置中，所述重构积分滑模变结构控制模块包括滑模控制器、PI调节器、积分重构器、迟滞器；输入电压信号经过滑模控制器与PI调节器、积分重构器相连，所述PI调节器、积分重构器输出信号相叠加与迟滞器相连。

上述重构积分滑膜变结构的VIC控制装置中，所述VIC模块由电容、开关管、二极管、电感组成。

一种基于重构积分滑膜变结构的VIC控制装置实现方法，包括以下步骤：

(1)采用电压检测电路对VIC的输出电压进行检测，为重构积分滑膜变结构模块提供输入信号。输入电压信号为V；

(2)输入电压信号经过滑模控制模块变为：

S(x)＝x₂-x_2f

式中，x₂为电压信号V的标准化值，x_2f为参考电压信号V_ref的标准化值；

(3)滑模控制模块的输出信号经PI调节器变为：

式中，K_p和K_i为PI控制器的增益；

(4)滑模控制模块输出信号经积分重构器与PI调节器输出信号叠加变为：

式中，

为积分重构器，q为开关控制量输入，q∈{0,1}；

(5)积分重构器与PI调节器输出叠加信号经迟滞器输出PWM波来驱动VIC，即可实现VIC装置的运行。

本发明的技术效果在于：研究了一种基于重构积分滑膜变结构的VIC控制装置。只使用较少的电压传感器，大大降低了成本。能使VIC的输出电压稳定，减少电压纹波，在负载出现波动的情况下，能快速使系统恢复稳定状态，并提高系统的动态性能，增加系统性。

附图说明

图1为VIC在PFC中的应用的结构示意图；

图2为VIC的拓扑结构和控制模型图；

图3为电荷控制器的控制框图；

图4为重构积分滑膜变结构策略的结构示意图；

图5为VIC的简化应用模型图；

图6为VIC的Q-V特征图；

图7为临界控制器的控制框图

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种基于重构积分滑膜变结构的VIC控制装置的应用结构示意图，包括交流电源、整流器、电感、电压检测电路、电流检测电路、电荷控制器、临界控制模块、VIC模块、重构积分滑模变结构控制模块、负载、二极管、开关管；交流电压源经过整流器，电感、开关管、二极管、虚拟无穷大电容器与负载相连，所述的母线电压与VIC模块、重构积分滑模变结构控制模块相连，所述重构积分滑模变结构控制模块的输出PWM与VIC模块的开关管相连，VIC的电容C_m的电压V_m与电荷控制器相连，所述电荷控制器的输出信号与临界控制模块相连，临界控制模块输出PWM信号与PFC的开关管相连。

整流桥为二极管桥式整流器。

如图1所示，一个电流检测电路检测负载的电流，一个电压检测电路检测VIC电容C_m的电压，为电荷控制器提供输入信号；一个电流检测电路检测电感的电流，一个电压检测电路检测电感的电压，和电荷电荷控制器输出的信号t_on一起为临界控制模块提供输入信号。

如图3所示，一个电压检测电路检测VIC电容C_m的电压V_m，一个电流检测电路检测负载的电流I_out。V_m的平方信号与V_m,ref的平方进行比较，表示为：

式中，e为电压误差，

为V_m的参考电压值，

为V_m的最大限值，

为V_m的最小限值。对e进行PI调控与加入增益K的I_out叠加进行信号送入低通滤波器W(s)中，输出信号t_on。

图7为临界控制器的控制框图，一个电压检测电路检测电感的电压V_b信号与电荷控制器的输出信号t_on进入参考电流产生器，输出参考电流I_ref，一个电流检测电路检测电感的电流I_L信号，与参考电流进行比较输出进入PWM产生器，输出PWM波控制PFC的开关管的通断。电压V_b信号和t_on信号经转换为电流参考信号I_ref，表示为：

式中，L_b为电感的感值，t_on为电荷控制器的输出值。

图2所示，电压检测电路检测VIC的输出电压，为重构积分滑模变结构控制模块提供输入信号；重构积分滑模变结构控制模块根据电压检测电路提供的输入信号生成输出信号，该输出信号作为PWM驱动信号，控制VIC的开关器件。

图4所示，采用电压检测电路对VIC的输出电压进行检测，为重构积分滑膜变结构模块提供输入信号。输入电压信号为V。

输入电压信号与参考信号进行比较构成滑模切换面变为：

S(x)＝x₂-x_2f

式中，x₂为电压信号V的标准化值，x_2f为参考电压信号V_ref的标准化值。

对滑模切换面的输出信号进行PI调节为：

式中，K_p和K_i为PI控制器的增益。

滑模控制模块输出信号经积分重构器与PI调节器输出信号叠加变为：

式中，

为积分重构器，q为开关控制量输入，q∈{0,1}。

积分重构器与PI调节器输出叠加信号经迟滞器输出PWM波来驱动VIC，实现VIC装置的运行。

如图5所示，为图1的一个简化电路。图1中的交流电源、整流器、电感、二极管、开关管组成电流源I_in。当能量来自于可变电流源时，VIC使负载R上的电压V恒定在V_ref。在图1中，电流I_in＝I+I_out，当电流I_in波动时，为了使I_out稳定，即V＝V_ref，VIC的电流I需要随之变化。其中通过控制I_in来控制电荷Q使V＝V_ref，电荷Q将保持在[Q_min,Q_max]范围内，I_in由u控制。VIC内部通过重构积分滑模变结构控制模块增加辅助电容电压的允许波动范围，其输出电压达到并稳定在V_ref，同时保持电容C_m的电压V_m处于[V_min,V_max]范围内，通过电荷控制器和临界控制模块来控制u，以此组成完整的控制回路。

如图6所示，为电荷Q和电压V的关系图，当电荷Q将保持在[Q_min,Q_max]范围内是电压V将保持在V_ref。

Claims (1)

1.一种对虚拟无穷大电容装置的重构积分滑膜变结构控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

电压检测电路对VIC的输出电压进行检测，作为重构积分滑膜变结构模块的输入电压信号V；

输入电压信号V与参考信号进行比较构成滑模切换面变为：

S(x) ＝ x₂-x_2f

式中，x ₂为电压信号V的标准化值，x _2f为参考电压信号V _ref的标准化值；

对滑模切换面的输出信号进行PI调节得到：

式中，K _p和K _i为PI控制器的增益；

滑模控制模块输出信号经积分重构器与PI调节器输出信号叠加变为：

式中，

为积分重构器，q为开关控制量输入，q∈{0,1}；

积分重构器与PI调节器输出叠加信号经迟滞器输出PWM波来驱动VIC，控制VIC装置的运行。

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