CN111987908A - 基于pi滑模变结构控制的三相交错并联双向dc/dc变换器 - Google Patents

基于pi滑模变结构控制的三相交错并联双向dc/dc变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，包括电压外环、电流内环以及分别对应的L1、L2、L3三相的三个Buck‑Boost电路，所述三个Buck‑Boost电路并联连接，所述电压外环对三相交错并联双向DC/DC变换器的输出电压进行PI控制并输出电流内环的输入参考电流，电流内环通过PI滑模变结构控制输出用于调节每一相对应的Buck‑Boost电路输出的PWM信号。该DC/DC变换器基于PI滑模变结构控制，具备输出电压纹波低、电流应力小以及动态响应快等优点，并且能够带载大功率运行。

Description

基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器
技术领域
本发明涉及双向DCDC转换器的控制领域，特别涉及一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器。
背景技术
作为一种输入和输出均为直流电压或直流电流的电路结构，DC-DC(直流-直流)变换器的作用是改善电源到负载之间的功率传递。实现的方式是将一种幅值的电压及电流转换为另一种幅值的电压及电流，此外，有时也起到了电隔离、噪声隔离和功率调节的作用。广泛应用于电动汽车、航空电源、太阳能发电、UPS等领域。双向DC-DC变换器获得了越来越广泛的应用。
传统的单重拓扑的双向DC-DC变换器通常是将两个DC-DC变换器反并联而成，所以单重拓扑双向DC-DC变换器的功率等级低，是因为其受单个功率器件的限制，若要提高单重拓扑双向DC-DC变换器的输出功率，通常会使其电压、电流应力增大，响应速度变慢，因此不适合于大功率的场合。通过多个双向D-DC变换器并联的方式可提高其功率等级，但又存在纹波大、体积大和成本高等缺点。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，该DC/DC变换器基于PI滑模变结构控制，具备输出电压纹波低、电流应力小以及动态响应快等优点，并且能够带载大功率运行。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，包括电压外环、电流内环以及分别对应的L1、L2、L3三相的三个Buck-Boost电路，所述三个Buck-Boost电路并联连接，所述电压外环对三相交错并联双向DC/DC变换器的输出电压进行PI控制并输出电流内环的输入参考电流，电流内环通过PI滑模变结构控制输出用于调节每一相对应的Buck-Boost电路输出的PWM信号。
所述电压外环包括PI控制器，将采集的双向DC/DC变换器的输出电压与设置的参考电压进行比较得到电压偏差送入到PI控制器中，由PI控制器根据电压偏差输出用于控制电流内环的参考电流。
所述电流内环控制包括三个单相内环，每个单相内环包括滑模变结构控制器、电流采样电路，所述电流采样电路将采集的单相内环的输出电流送入到滑模变结构控制器中，所述滑模变结构控制器将输入的参考电流以及采集的单项内环的输出电流，通过滑模变结构控制算法输出PWM信号至对应相的Buck-Boost电路以控制其输出。
所述滑模变结构控制器通过滑模变结构控制方式对单项内环的输出电流进行控制，使得其输出电流准确跟踪其参考电流。
所述PI控制器用于对变换器输出电压进行调节使其输出电压紧随电压参考值并输出参考电流至单项内环。
本发明的优点在于：基于PI滑模变结构控制器，采用移相驱动脉冲，能够对变换器的输出直流电压进行闭环控制，实现输出电压的可控，这种控制方法的输出电压纹波低、电流应力小以及动态响应快等优点，并且能够带载大功率运行。
附图说明
下面对本发明说明书各幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为本发明基于PI滑模变结构控制的dcdc变换器控制结构图；
图2为本发明控制程序启动流程图。
具体实施方式
下面对照附图，通过对最优实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明提供一种三相交错并联双向DC-DC变换器的控制方法，三相交错并联双向DCDC变换器的拓扑是通过三个Buck-Boost电路并联而成，能够实现能量的双向流动。DC-DC变换器本质是非线性离散系统，其参数具有时变性。因此，当系统的输入电压或者负载变化很大时，系统会不稳定，设计了一种基于PI滑模变结构控制器，采用移相驱动脉冲，能够对变换器的输出直流电压进行闭环控制，实现输出电压的可控，这种控制方法的输出电压纹波低、电流应力小以及动态响应快等优点，并且能够带载大功率运行。
如图1所示，一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，包括电压外环、电流内环以及分别对应的L1、L2、L3三相的三个Buck-Boost电路，三个Buck-Boost电路并联连接，所述电压外环对三相交错并联双向DC/DC变换器的输出电压进行PI控制并输出电流内环的输入参考电流，电流内环通过PI滑模变结构控制输出用于调节每一相对应的Buck-Boost电路输出的PWM信号。
电压外环包括PI控制器，将采集的双向DC/DC变换器的输出电压与设置的参考电压进行比较得到电压偏差送入到PI控制器中，由PI控制器根据电压偏差输出用于控制电流内环的参考电流。电流内环控制包括三个单相内环，每个单相内环包括滑模变结构控制器、电流采样电路，所述电流采样电路将采集的单相内环的输出电流送入到滑模变结构控制器中，所述滑模变结构控制器将输入的参考电流以及采集的单项内环的输出电流，通过滑模变结构控制算法输出PWM信号至对应相的Buck-Boost电路以控制其输出。
滑模变结构控制器通过滑模变结构控制方式对单项内环的输出电流进行控制，使得其输出电流准确跟踪其参考电流。PI控制器用于对变换器输出电压进行调节使其输出电压紧随电压参考值并输出参考电流至单项内环。
如图1所示，外环为电压环(又称直流环),采用传统的PI调节器实现对电压的校正,从而达到调控电压的目的；内环为电流负反馈环(又称交流环),采用滑模变结构控制实现对单元电感电流的校正。由于外环PI调节器的输出作为内环滑模控制的参考基准,无须求取电流滑模基准,因此提高了控制方案的实用性。其中,采用电流负反馈的优点是:拥有内在限流能力；改善了开关调节系统的稳定性和瞬态特性；当几个单元开关变换器并联运行时,应用双闭环系统,每个单元开关变换器有独立的电流负反馈,并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路,使各个电流反馈系统有相同的参考(给定)电流值,这样就可以实现几个单元开关变换器之间的均流或负荷的自动分配。
该控制方案采用双闭环控制方式解决滑模变结构控制变换器中出现的稳态误差和电流基准难以测量的问题。内环所采用的滑模变结构控制方式具有快速的动态响应特性,用以保证单项内环输出电流跟踪电流基准Iref,以保证各单元电路电感电流间的均流,同时,为了补偿传统滑模变结构控制方法存在的输出稳态误差,在滑模切换面中引入输出电压积分项；外环的PI调节器,保持电压输出的恒定。外环的输出参考电流Iref作为内环滑模变结构控制的电流基准。外环PI校正使得系统在负载变化时能够保持电压稳定稳定,其中的PI控制器的积分项可用来消除稳态误差。如图2所示，为本申请的控制流程示意图，在双向dcdc的控制时，首先系统初始化上电后，控制dcdc选择进入滑模变控制模式，AD采样输出电压电流并对电压电流进行滤波等处理后至滑模变结构控制器中，滑模变结构控制器根据滑模变结构控制算法输出PWM占空比控制信号，输出的调整PWM占空比信号至每一相的Buck-Boost电路中以控制其输出从而完成调节控制。
为了实现对于滑模变结构的控制，一下说明滑模变结构控制设计的方法，包括涉及滑模变结构的控制参数包括：
根据三相交错并联双向DC-DC变换器工作原理，我们知道它是由三个完全相同的Buck或Boost的电路并联而成的。所以为了便于分析，在此假设电感L和电容C为理想元器件，负载为阻性负载，以电感电流iL和输出电压vo为状态变量。
通过状态空间平均法得到了双向DC-DC变换器在电感电流连续模式下状态空间方程为
Figure BDA0002615324170000051
Figure BDA0002615324170000052
式中
Figure BDA0002615324170000053
u为开关函数，当u＝1时，表示开光管导通，当u＝0时，表示开光管关断。求取双向DC-DC变换器状态空间方程，然后进一步确定滑模变结构的控制器的参数方案。
滑模面的选取
滑模控制器设计通过开关函数获得一个恰当的滑模控制率，以实现对系统理想的控制效果，该控制率可表示为，
Figure BDA0002615324170000054
S为瞬态状态变量的轨迹，可描述为
S＝k1x1+k2x2+k3x3＝JTx (4)
式中JT＝[k1 k2 k3]，k1、k2、k3为滑模切换面参数。为了保证滑模状态的存在，所以必须满足下式。
Figure BDA0002615324170000061
2.2降压变换器的滑模变结构控制器的设计
变换器系统状态变化量x取为反馈输出电压的误差，反馈输出电压误差的变化率和反馈输出电压误差的积分，x变量形式如下所示
Figure BDA0002615324170000062
式中Vref表示参考电压，h表示反馈网络的分压比。通过(1)式和(6)式对时间的导数。可得降压变换器系统的动态模型为
Figure BDA0002615324170000063
令S(x)的导数为0，可得降压变换器控制器的等效信号ueq为
Figure BDA0002615324170000064
式中，
Figure BDA0002615324170000065
2.3升压变换器的滑模电流控制器的设计
在升压变换器在连续导电模式下，占空比到升压变换器输出电压的传递函数具有右半平面零点，导致系统响应滞后。所以采用电流模式控制，取电感电流误差ΔiL和输出电压误差Δu作为受控状态变量。瞬时参考电流iref由放大的输出电压误差产生，即
iref＝K(Vref-hvo) (9)
式中，K为Δu放大增益。此处，受控状态变量为电流误差x1，电压误差x2和电流及电压误差的积分x3，表达式为
Figure BDA0002615324170000066
式中，iL为电感的瞬时电流。输出电压和电感电流有稳态误差，使vo≠Vref且iL≠iref，所以，在滑模控制器中引入这两个误差的积分项x3，形成附加的受控状态变量，以减小输出电压和电感电流的稳态误差。
通过(2)式和(10)式对时间的导数。可得升压变换器系统的动态模型
Figure BDA0002615324170000071
式中iC为电容C2的充电电流。令S(x)的导数为0，可得升压变换器控制器的等效信号ueq为
Figure BDA0002615324170000072
式中
Figure BDA0002615324170000073
提出了基于PI滑模变结构控制的方案，滑模变结构控制以滑模变结构控制理论为基础，预先指定一个滑模面，通过控制开关的高速切换，把受控非线性系统的状态轨迹拉向这个滑模面，并让其始终保持在这个平面上，这种控制方法可有效控制系统，使其保持稳定。基于PI滑模变结构控制策略能使系统工作在固定的频率上，保持系统的稳定，具有很强的鲁棒性，动态性能好，响应时间快。滑模变结构控制是一种非线性控制方法，对电力电子开关变换器非线性特质具有天然的适用性。
显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，均在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，其特征在于：包括电压外环、电流内环以及分别对应的L1、L2、L3三相的三个Buck-Boost电路，所述三个Buck-Boost电路并联连接，所述电压外环对三相交错并联双向DC/DC变换器的输出电压进行PI控制并输出电流内环的输入参考电流，电流内环通过PI滑模变结构控制输出用于调节每一相对应的Buck-Boost电路输出的PWM信号。
2.如权利要求所述的一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，其特征在于：所述电压外环包括PI控制器，将采集的双向DC/DC变换器的输出电压与设置的参考电压进行比较得到电压偏差送入到PI控制器中，由PI控制器根据电压偏差输出用于控制电流内环的参考电流。
3.如权利要求1或所述的一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，其特征在于：所述电流内环控制包括三个单相内环，每个单相内环包括滑模变结构控制器、电流采样电路，所述电流采样电路将采集的单相内环的输出电流送入到滑模变结构控制器中，所述滑模变结构控制器将输入的参考电流以及采集的单项内环的输出电流，通过滑模变结构控制算法输出PWM信号至对应相的Buck-Boost电路以控制其输出。
4.如权利要求1-3任一所述的一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，其特征在于：所述滑模变结构控制器通过滑模变结构控制方式对单项内环的输出电流进行控制，使得其输出电流准确跟踪其参考电流。
5.如权利要求1-3任一所述的一种基于PI滑模变结构控制的三相交错并联双向DC/DC变换器，其特征在于：所述PI控制器用于对变换器输出电压进行调节使其输出电压紧随电压参考值并输出参考电流至单相内环。
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