CN111224544B - 一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，包括：步骤1，采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；步骤2，将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环。本发明所提供的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，无需额外的硬件辅助电路，节省了成本，减少了复杂度；同时也方便了并联均流环节算法的设计，方法简便、实用，有效地增强了扰动情况下输出并联Buck/Boost变换器的动稳态性能和均流效果。

Description

一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备。
背景技术
随着分布式发电系统的高速发展，双向DC-DC变换器在电动汽车和储能领域的能量管理中扮演着越来越重要的角色，因此，高效的能量管理对双向DC-DC变换器的特性提出了更高的要求，在系统的充放电过程中，稳定的电压和电流输出特性需要保证，优越的动稳态性能是系统安全可靠运行的重要条件。同时，为了增加系统容量，双向DC-DC变换器的交错并联方案也得到了广泛应用。交错并联方案能够有效地减少开关器件所承受的应力，降低输出电流纹波，在扩容的同时也能提高功率密度。然而，对于并联的双向DC-DC变换器系统，不可避免地也受到不均流问题的影响。当系统处于不均流的情况下，系统的功率分配不均衡，可靠性也会随之降低。因此，双向DC-DC变换器系统的均流控制有着重要的意义。
目前针对并联均流控制问题，许多均流控制的方法在不同文献中被提出。传统的均流控制方法主要有输出阻抗法和有源均流法。这些方法多是采用加辅助电路和模拟控制来实现，包括像闭环的PID控制器设计实现，它们都是基于线性控制理论得出。实际中，数字控制以其很好的灵活性和易实现性得到应用。同时，考虑到各种非线性因素，尤其是像各种外部扰动和系统模型参数的不确定性的影响，都会使系统的稳定性和可靠性面临挑战。因此，一些非线性的控制方法被设计去实现双向DC-DC变换器的并联均流。
发明内容
本发明提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，其目的是为了解决输出并联Buck/Boost变换器的均流问题和易受扰动影响的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，包括：
步骤1，采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；
步骤2，将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环，把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；
步骤3，通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断。
本发明的实施例还提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流装置，包括：
采集模块，用于采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；
设计模块，用于将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环；
调节模块，用于把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；
产生模块，用于通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断。
本发明的实施例还提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备的步骤。
本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备的步骤。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，通过采用基于超扭曲算法的二阶滑模控制器分别对两路并联的Buck/Boost变换器进行控制，将均流环节考虑到系统的电流内环设计当中，构造滑模面的均流误差项，通过滑模面的收敛来消除并联的两路电感电流的均流误差，无需额外的硬件辅助电路，节省了成本，减少了复杂度，方便了并联均流环节算法的设计，方法简便、实用，有效地增强了扰动情况下输出并联Buck/Boost变换器的动稳态性能和均流效果，保证系统稳定可靠运行。
附图说明
图1为本发明的电压外环控制策略设计框图；
图2为本发明的电流内环控制策略设计框图；
图3为本发明的具体电路图；
图4为本发明的系统稳态运行均流效果图；
图5为本发明的系统两路输入电压和电感值有偏差时均流效果图(E1＝95V，E2＝105V，L1＝1.2mL，L2＝1.8mL)；
图6为本发明的系统负载突变时均流效果图(负载从5Ω切至2.5Ω)；
图7为本发明的系统负载突变时均流效果图(负载从2.5Ω切回5Ω)；
图8为本发明的系统输出调压时均流效果图(输出电压从50V调节至30V)；
图9为本发明的系统输出调压时均流效果图(输出电压从30V调节回50V)。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的输出并联Buck/Boost变换器的均流问题和易受扰动影响的问题，提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备。
如图1至图9所示，本发明的实施例提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，包括：步骤1，采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；步骤2，将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环，把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；步骤3，通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断。
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，首先通过采用基于超扭曲算法的二阶滑模控制器分别对两路并联的Buck/Boost变换器进行控制，通过超扭曲算法二阶滑模控制策略提高了buck/boost变换器的动稳态性能和并联均流能力，从而更好地实现系统的抗扰性和动稳态性能，将并联输出电压与输出电压参考误差、电感电流与电流参考误差和两路电感电流误差考虑进滑模面，从而减少了外加均流环的设计，表现出了更好的稳态特性和动态跟踪效果，并且为了消除外界扰动和模型参数不确定性的影响，将扰动项考虑进控制器的设计当中，实现了好的扰动抑制效果，所述步骤1采集的直流输入电压和直流输出电压描述如下：由于输出并联Buck/Boost变换器是个双向的拓扑结构，功率能够正向和反向流动，输入和输出的定义取自正向Buck模式，当考虑反向运行，即运行于Boost模式时，电压的输入和输出定义互换即可，所述步骤3，通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断，图2中设置有MOSFET电力电子开关管S9、S10、S19和S20，两路直流输入源E1和E2，两路滤波电感L1和L2，输出滤波电容C。
其中，所述步骤2包括：确定采集参数之间的关系，采用开关周期平均法对输出并联的Buck/Boost变换器进行建模，建立基于开关周期平均的系统模型为：
Figure BDA0002386133570000051
其中，E1、E2分别为上下两路Buck/Boost变换器的输入电压，uo为两路Buck/Boost变换器的并联输出电压，
Figure BDA0002386133570000052
分别为上下两路Buck/Boost变换器的电感电流，iload为并联输出端的负载电流，L1和L2分别为上下两路Buck/Boost变换器的电感值，C为并联输出端的电容值，d1和d2分别为上下两路Buck/Boost变换器的控制输入占空比，即为两路的控制率给定。
其中，所述步骤2还包括：将输出电压与输出电压参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，构造电压外环滑模面为：
s＝x1+λ1x2 (2)
其中，
Figure BDA0002386133570000053
其中，uoref代表输出电压的参考，x1和x2作为系统状态变量，λ1为正常数，表示电压外环滑模面的系数增益；
根据系统的建模表达式，电压外环滑模面的一阶导数项能够被推导为：
Figure BDA0002386133570000054
超扭曲算法考虑控制率包括等效控制项和超扭曲控制项，系统总的控制率被设计为：
u1＝ueq1+udis1 (5)
其中，等效控制项ueq1能通过电压外环滑模面的一阶导数项为零时得出：
Figure BDA0002386133570000055
其中，Δu1为系统电压外环的控制项，电压外环控制输出的电感电流参考的等效控制项iL包含在其中，Δρ1为扰动项，取|Δρ1|<ε1，ε1收敛于某个正的边界项，则有：
ueq1＝λ1C(uoref-uo) (7)
超扭曲控制项的表达式为：
Figure BDA0002386133570000061
其中，a1和a2为正的常系数项；
电压外环的输出为电流参考：
iLref＝λ1C(uoref-uo)+udis1 (9)
其中，iLref为电压外环得出来的电流参考值。
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，λ1为正常数，表示电压外环滑模面的系数增益，它影响到系统的动态响应，电压外环设计：将输出电压与输出电压参考的误差，以及误差的积分项考虑为状态变量，构造电压外环滑模面。超扭曲算法是一种相关度为1的控制算法，它能够实现控制目标的有限时间收敛，以及在变化环境下的扰动抑制，通常超扭曲算法考虑控制率由等效控制项和超扭曲控制项组成，Δρ1作为扰动项，主要是由负载变化这类扰动因素组成。
其中，所述步骤2还包括：将第一路电感电流与电感电流参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，同时考虑两路电感电流的误差为另一状态变量，构造第一路Buck/Boost变换器电流内环滑模面为：
S1＝X1+λ2X2+X3 (10)
其中，
Figure BDA0002386133570000062
其中，iLref代表第一路电感电流的参考，X1、X2和X3作为系统状态变量，λ2为正常数，表示电流内环滑模面的系数增益；
根据系统的建模表达式，电流内环滑模面的一阶导数项能够被推导为：
Figure BDA0002386133570000071
其中，Δu2为系统第一路电流内环的控制项，电流内环控制输出的两路占空比给定d1和d2包含在其中，控制策略取两路的理想占空比为一样，即d1＝d1＝d2，d1为等效的占空比值，即为最终的控制率，Δρ2为扰动项，取|Δρ2|<ε2，ε2收敛于某个正的边界项，应用超扭曲算法来实现电流内环控制和并联均流，第一路电流内环的控制率为：
u2_1＝ueq2_1+udis2_1 (13)
其中，等效控制项ueq2_1能通过电流内环滑模面的一阶导数项为零时得出，控制策略取两路的理想占空比一样，则有：
Figure BDA0002386133570000072
超扭曲控制项的表达式为：
Figure BDA0002386133570000073
其中，a3和a4为正的常系数项；
第一路Buck/Boost变换器的最终占空比给定为：
Figure BDA0002386133570000074
当输入电压为同一个电压源，两路的电感值默认为一样时，可得出等效的作为控制输入的控制率：
Figure BDA0002386133570000075
同样，将第二路电感电流与电感电流参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，同时考虑两路电感电流的误差为另一状态变量，构造第二路Buck/Boost变换器电流内环滑模面为：
S2＝X4+λ2X5+X6 (18)
其中，
Figure BDA0002386133570000081
其中，iLref代表第二路电感电流的参考，X4、X5和X6作为系统状态变量，λ2为正常数，与第一路电流内环滑模面的系数增益相同；
参照第一路Buck/Boost变换器的电流内环设计的推导过程，可以得出第二路Buck/Boost变换器的最终占空比给定d2为：
Figure BDA0002386133570000082
其中，ueq2_2为等效控制项，udis2_2为超扭曲控制项，且：
Figure BDA0002386133570000083
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，相较于传统的加辅助电路实现均流或者在控制器基础上再额外考虑并联均流环的措施，将均流环节考虑到系统的电流内环设计当中，构造滑模面的均流误差项，通过滑模面的收敛来消除并联的两路电感电流的均流误差，电流内环设计：将两路电感电流与电感电流参考的误差，以及误差的积分项考虑为状态变量，同时考虑两路电感电流的误差为另一状态变量，分别构造电流内环滑模面。λ2为正常数，它影响到系统的动态响应，由等式(11)和(19)可以看到，在电流内环中多考虑了一个状态变量，电流内环将两路电感电流的误差考虑进滑模面，从而实现电流内环调节的同时达到两路电感电流均流的目的，由等式(16)和(20)我们可以看出电流内环的设计是考虑到了两路输入电压不同和两路电感值得差异，可见在控制的目标趋于参考时，能够避免这种扰动差异的影响，从而达到更好的控制和均流效果。
其中，所述步骤2还包括：将等式(16)和(20)得到的d1和d2作为控制输入的占空比给入到两路Buck/Boost的驱动电路。
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，将等式(16)和(20)得到的d1和d2作为控制输入的占空比给入到两路Buck/Boost的驱动电路，以此来驱动开关管动作和控制系统输出。
其中，所述脉冲宽度调制信号由数字信号处理器芯片产生，用于实现交错并联的效果，从而减少系统输出电流的纹波大小和开关器件所承受的应力。
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，所述步骤3的两路相位相差180°的所述脉冲宽度调制信号由TI公司DSP数字信号处理器芯片(TMS320F28069)产生，目的是为了实现交错并联的效果，从而来有效地减少系统输出电流的纹波大小和开关器件所承受的应力，为了验证所提超扭曲算法二阶滑模控制策略在解决并联均流问题上的有效性，搭建了输出并联Buck/Boost变换器的仿真和实验平台，系统实验参数如下表1所示：
Figure BDA0002386133570000091
表1
本发明的实施例还提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流装置，包括：采集模块，用于采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；设计模块，用于将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环；调节模块，用于把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；产生模块，用于通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断。
本发明的实施例还提供了一种输出并联Buck/Boost变换器的均流设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备的步骤。
本发明的实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备的步骤。
本发明的上述实施例所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法、装置及设备，无须额外的硬件电路和传感器，简单、可靠，有效节约了系统的成本，保证系统稳定可靠运行。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，包括：
步骤1，采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；
步骤2，将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环，把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；
步骤3，通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断；
所述步骤2包括：确定采集参数之间的关系，采用开关周期平均法对输出并联的Buck/Boost变换器进行建模，建立基于开关周期平均的系统模型为：
Figure FDA0003196675380000011
其中，E1、E2分别为上下两路Buck/Boost变换器的输入电压，uo为两路Buck/Boost变换器的并联输出电压，
Figure FDA0003196675380000012
分别为上下两路Buck/Boost变换器的电感电流，iload为并联输出端的负载电流，L1和L2分别为上下两路Buck/Boost变换器的电感值，C为并联输出端的电容值，d1和d2分别为上下两路Buck/Boost变换器的控制输入占空比，即为两路的控制率给定。
2.根据权利要求1所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
将输出电压与输出电压参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，构造电压外环滑模面为：
s＝x1+λ1x2 (2)
其中，
Figure FDA0003196675380000021
其中，uoref代表输出电压的参考，x1和x2作为系统状态变量，λ1为正常数，表示电压外环滑模面的系数增益；
根据系统的建模表达式，电压外环滑模面的一阶导数项能够被推导为：
Figure FDA0003196675380000022
超扭曲算法考虑控制率包括等效控制项和超扭曲控制项，系统总的控制率被设计为：
u1＝ueq1+udis1 (5)
其中，等效控制项ueq1能通过电压外环滑模面的一阶导数项为零时得出：
Figure FDA0003196675380000023
其中，Δu1为系统电压外环的控制项，电压外环控制输出的电感电流参考的等效控制项iL包含在其中，Δρ1为扰动项，取|Δρ1|<ε1，ε1收敛于某个正的边界项，则有：
ueq1＝λ1C(uoref-uo) (7)
超扭曲控制项的表达式为：
Figure FDA0003196675380000024
其中，a1和a2为正的常系数项；
电压外环的输出为电流参考：
iLref＝u1＝λ1C(uoref-uo)+udis1 (9)
其中，iLref为电压外环得出来的电流参考值。
3.根据权利要求2所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
将第一路电感电流与电感电流参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，同时考虑两路电感电流的误差为另一状态变量，构造第一路Buck/Boost变换器电流内环滑模面为：
S1＝X1+λ2X2+X3 (10)
其中，
Figure FDA0003196675380000031
其中，iLref代表第一路电感电流的参考，X1、X2和X3作为系统状态变量，λ2为正常数，表示电流内环滑模面的系数增益；
根据系统的建模表达式，电流内环滑模面的一阶导数项能够被推导为：
Figure FDA0003196675380000032
其中，Δu2为系统第一路电流内环的控制项，电流内环控制输出的两路占空比给定d1和d2包含在其中，控制策略取两路的理想占空比为一样，即d＝d1＝d2，d为等效的占空比值，即为最终的控制率，Δρ2为扰动项，取|Δρ2|<ε2，ε2收敛于某个正的边界项，应用超扭曲算法来实现电流内环控制和并联均流，第一路电流内环的控制率为：
u2_1＝ueq2_1+udis2_1 (13)
其中，等效控制项ueq2_1能通过第一路电流内环滑模面的一阶导数项为零时得出，控制策略取两路的理想占空比一样，则有：
Figure FDA0003196675380000033
超扭曲控制项的表达式为：
Figure FDA0003196675380000034
其中，a3和a4为正的常系数项；
第一路Buck/Boost变换器的最终占空比给定为：
Figure FDA0003196675380000035
当输入电压为同一个电压源，两路的电感值默认为一样时，可得出等效的作为控制输入的控制率：
Figure FDA0003196675380000041
同样，将第二路电感电流与电感电流参考的误差，误差的积分项考虑为状态变量，同时考虑两路电感电流的误差为另一状态变量，构造第二路Buck/Boost变换器电流内环滑模面为：
S2＝X4+λ2X5+X6 (18)
其中，
Figure FDA0003196675380000042
其中，iLref代表第二路电感电流的参考，X4、X5和X6作为系统状态变量，λ2为正常数，与第一路电流内环滑模面的系数增益相同；
参照第一路Buck/Boost变换器的电流内环设计的推导过程，可以得出第二路Buck/Boost变换器的最终占空比给定d2为：
Figure FDA0003196675380000043
其中，ueq2_2为等效控制项，udis2_2为超扭曲控制项，且：
Figure FDA0003196675380000044
4.根据权利要求3所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，所述步骤2还包括：
将等式(16)和(20)得到的d1和d2作为控制输入的占空比给入到两路Buck/Boost的驱动电路。
5.根据权利要求1所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，所述脉冲宽度调制信号由数字信号处理器芯片产生，用于实现交错并联的效果，从而减少系统输出电流的纹波大小和开关器件所承受的应力。
6.一种输出并联Buck/Boost变换器的均流装置，应用于如权利要求1至5任一项所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法，其特征在于，包括：
采集模块，用于采集两路并联Buck/Boost变换器的直流输入电压、两路电感电流和直流输出电压；
设计模块，用于将两路输入电压偏差，电感值差异和负载变化考虑进系统模型，对采集到的所述两路电感电流和所述直流输出电压进行超扭曲算法的二阶滑模控制方法设计，构造包含输出电压误差和电感电流误差的滑模面，将电压设计成外环，电流设计成内环；
调节模块，用于把两路电感电流的均流误差考虑进电流内环，闭环调节输出电压和电感电流，抑制内外部扰动对并联均流效果的影响；
产生模块，用于通过载波和脉冲宽度调制方法产生两路相位相差180°的脉冲宽度调制信号，所述脉冲宽度调制信号用于控制开关管的通断。
7.一种输出并联Buck/Boost变换器的均流设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至5任一项所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至5任一项所述的输出并联Buck/Boost变换器的均流方法的步骤。
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