CN113054842A - 燃料电池dc/dc升压变换器控制方法及系统 - Google Patents

燃料电池dc/dc升压变换器控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种燃料电池DC/DC升压变换器控制方法及系统，本发明的电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器都是基于超螺旋算法的二阶滑模控制方法设计得到，电压外环滑模控制器保证输出电压稳定在期望的电压值，并为电流内环提供参考电流，电流内环滑模控制器保证实际燃料电池输出电流跟踪到内环参考电流，能快速的跟踪目标值，负载变化时的稳态误差较小，可有效地抑制抖振现象，降低燃料电池输出电流纹波，对输入电感、输出电容、输入电压和负载电阻等参数的变化具有鲁棒性。

Description

燃料电池DC/DC升压变换器控制方法及系统
技术领域
本发明涉及DC/DC变换器技术领域，尤其涉及一种燃料电池DC/DC升压变换器控制方法及系统。
背景技术
近年来，随着新能源发电技术的快速发展，燃料电池逐渐成为新能源领域的研究热点，但是在以燃料电池为电力能源的系统中，由于燃料电池输出电压受输出功率影响严重、电压范围变化大且输出电压较低等缺点，使得燃料电池不能够满足工业用电需求，需要通过功率调节系统，使燃料电池的输出变为稳定的直流电或逆变并网成为符合工业或日常生活的用电。燃料电池用DC/DC变换器是燃料电池发电设备中功率调节的重要设备，是燃料电池能够用于其他设备的基本前提。
燃料电池用DC/DC变换器主要功能是将燃料电池输出大范围变化、不稳定的、低压直流电转换为高质量、高电压、稳定的直流电，其输出电能质量直接关系到用电设备的正常使用以及整个系统设备的安全和使用寿命。为了保证燃料电池以及用电设备的正常使用和安全，一个具有高稳定性、强鲁棒性以及快的动态特性的DC/DC升压变换器必不可少，而控制策略是决定变换器的稳态精度、动态性能以及鲁棒性的关键。滑模控制以其结构简单、鲁棒性强、收敛速度快等优点得到了广泛应用，然而传统滑模控制由于控制律的离散性存在不可避免的抖振问题，严重影响滑模控制的效果，甚至损坏控制系统。
发明内容
有鉴于此，一方面，本发明提出了一种燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，以解决传统升压变换器滑模控制方法存在抖振现象的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，包括：
步骤S1，建立升压变换器的状态空间数学模型；
步骤S2，计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
步骤S3，根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
步骤S4，计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量；
步骤S5，根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
可选的，步骤S1中，状态空间数学模型采用状态空间平均法建立。
可选的，状态空间数学模型为：
Figure BDA0002986626220000021
记状态空间数学模型为式①，式中Uo为升压变换器的输出电压，t为时间，R为负载阻抗，C为输出电容值，Ifc为实际燃料电池输出电流，L为输入电感值，E为燃料电池输出电压，u为占空比。
可选的，步骤S3包括：
根据公式②
Figure BDA0002986626220000022
计算外环滑模变量的二阶导数，式中s1为外环滑模变量，Uref为参考电压；
通过式①消除公式②中的变量u，得到
Figure BDA0002986626220000023
Figure BDA0002986626220000024
式中
Figure BDA0002986626220000025
Φ1(x，t)的边界为|Φ1(x，t)|≤C1；
Figure BDA0002986626220000026
γ1(x，t)的边界为0<Km1≤Υ1(x，t)≤KM1；C1、Km1、KM1均为通过系统参数得到的正常数；
根据公式
Figure BDA0002986626220000031
设计外环控制律，式中u1既是外环控制律也是内环参考电流，z1为外环滑模面切换函数的积分，λ1、ω1为电压外环滑模控制器参数，使电压外环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure BDA0002986626220000032
可选的，步骤S5包括：
根据公式
Figure BDA0002986626220000033
计算内环滑模变量的二阶导数，s2为内环滑模变量；式中
Figure BDA0002986626220000034
Φ2(x，t)的边界为|Φ2(x，t)|≤C2；
Figure BDA0002986626220000035
γ2(x，t)的边界为0<Km2≤Υ2(x，t)≤KM2；C2、Km2、KM2均为通过系统参数得到的正常数；
根据公式
Figure BDA0002986626220000036
设计内环切换控制律，式中u2为内环切换控制律，z2为内环滑模面切换函数的积分，λ2、ω2为电流内环滑模控制器参数，使电流内环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure BDA0002986626220000037
根据
Figure BDA0002986626220000038
设计等效控制律
Figure BDA0002986626220000039
根据
Figure BDA00029866262200000310
Figure BDA00029866262200000311
计算升压变换器的占空比。
本发明的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法相对于现有技术具有以下有益效果：
(1)电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器都是基于超螺旋算法的二阶滑模控制方法设计得到，电压外环滑模控制器保证输出电压稳定在期望的电压值，并为电流内环提供参考电流，电流内环滑模控制器保证实际燃料电池输出电流跟踪到内环参考电流，能快速的跟踪目标值，负载变化时的稳态误差较小，可有效地抑制抖振现象，降低燃料电池输出电流纹波，提高燃料电池使用寿命，同时对输入电感、输出电容、输入电压和负载电阻等参数的变化具有鲁棒性；
(2)以输出电压为控制目标的升压变换器是一个非最小相位系统，会引起负调现象影响系统性能，本发明的控制方法对非最小相系统有较好的控制效果，可以减小负调现象对系统的影响；
(3)本发明采用的超螺旋算法仅需要滑模变量的信息，不需要任何有关滑模变量在时间上的微分信息，减少了系统在线运行的计算量，避免了微分计算偏差导致的扰动，使控制方法更加容易实现，提高了控制精度。
另一方面，本发明还提出了一种燃料电池DC/DC升压变换器控制系统，以解决传统升压变换器滑模控制系统存在抖振现象的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种燃料电池DC/DC升压变换器控制系统，包括：
状态空间数学模型建立模块，用于建立升压变换器的状态空间数学模型；
外环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
内环参考电流计算模块，用于根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
内环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量；
占空比计算模块，根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
可选的，状态空间数学模型建立模块采用状态空间平均法建立状态空间数学模型。
所述燃料电池DC/DC升压变换器控制系统与上述燃料电池DC/DC升压变换器控制方法相对于现有技术具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法的原理示意图；
图2为本发明的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法的流程图；
图3为本发明的燃料电池DC/DC升压变换器控制系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本实施例的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法包括：
步骤S1，建立升压变换器的状态空间数学模型；
步骤S2，计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
步骤S3，根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
步骤S4，计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量；
步骤S5，根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
本实施例中，如图1所示，升压变换器一般包括输入电感、开关管Q、二极管D、输出电容及负载电阻。电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器共同构成本实施例的双闭环二阶滑模控制器。
其中，步骤S1中，状态空间数学模型采用状态空间平均法建立，状态空间数学模型为：
Figure BDA0002986626220000061
记状态空间数学模型为式①，式中Uo为升压变换器的输出电压，t为时间，R为负载阻抗，C为输出电容值，Ifc为实际燃料电池输出电流，L为输入电感值，E为燃料电池输出电压，u为占空比。
其中，步骤S2中，有
Figure BDA0002986626220000062
θ为输出电压与参考电压的误差的积分，s1为外环滑模变量，Uref为参考电压，则s1的一阶导数为
Figure BDA0002986626220000063
其中，步骤S3包括：根据公式②
Figure BDA0002986626220000064
计算外环滑模变量的二阶导数；通过式①消除公式②中的变量u，得到
Figure BDA0002986626220000065
Figure BDA0002986626220000066
式中
Figure BDA0002986626220000067
Φ1(x，t)的边界为|Φ1(x，t)|≤C1；
Figure BDA0002986626220000068
Figure BDA0002986626220000069
γ1(x，t)的边界为0<Km1≤Υ1(x，t)≤KM1；C1、Km1、KM1均为通过系统参数得到的正常数；根据公式
Figure BDA00029866262200000610
设计外环控制律，式中u1既是外环控制律也是内环参考电流，z1为外环滑模面切换函数的积分，λ1、ω1为电压外环滑模控制器参数，使电压外环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure BDA00029866262200000611
其中，基于超螺旋算法设计外环控制律。
其中，步骤S4中，根据公式s2＝Ifc-Iref计算实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差。s2既是实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差，也是内环滑模变量。Iref为由电压外环滑模控制器得到的内环参考电流，从而u1＝Iref。
其中，步骤S5包括：根据公式
Figure BDA00029866262200000612
计算内环滑模变量的二阶导数；式中
Figure BDA00029866262200000613
Φ2(x，t)的边界为|Φ2(x，t)|≤C2；
Figure BDA0002986626220000071
γ2(x，t)的边界为0<Km2≤γ2(x，t)≤KM2；C2、Km2、KM2均为通过系统参数得到的正常数；根据公式
Figure BDA0002986626220000072
设计内环切换控制律，式中u2为内环切换控制律，z2为内环滑模面切换函数的积分，λ2、ω2为电流内环滑模控制器参数，使电流内环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure BDA0002986626220000073
根据
Figure BDA0002986626220000074
设计等效控制律
Figure BDA0002986626220000075
根据
Figure BDA0002986626220000076
Figure BDA0002986626220000077
计算升压变换器的占空比。这里，u既是升压变换器中开关管Q的占空比，也是本实施例的双闭环二阶滑模控制器的控制律。这样便可根据计算得到的占空比对升压变换器的功率电路进行优化控制。
由上述步骤可知，本实施例电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器都是基于超螺旋算法的二阶滑模控制方法设计得到，电压外环滑模控制器保证输出电压稳定在期望的电压值，并为电流内环提供参考电流，电流内环滑模控制器保证实际燃料电池输出电流跟踪到内环参考电流，能快速的跟踪目标值，负载变化时的稳态误差较小，可有效地抑制抖振现象，降低燃料电池输出电流纹波，提高燃料电池的使用寿命，对输入电感、输出电容、输入电压和负载电阻等参数的变化具有鲁棒性。
此外，以输出电压为控制目标的升压变换器是一个非最小相位系统，会引起负调现象影响系统性能，本发明的控制方法对非最小相系统有较好的控制效果，可以减小负调现象对系统的影响；本发明采用的超螺旋算法仅需要滑模变量的信息，不需要任何有关滑模变量在时间上的微分信息，减少了系统在线运行的计算量，避免了微分计算偏差导致的扰动，使控制方法更加容易实现，提高了控制精度。
如图3所示，本发明还提供一种燃料电池DC/DC升压变换器控制系统，包括：
状态空间数学模型建立模块，用于建立升压变换器的状态空间数学模型；
外环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
内环参考电流计算模块，用于根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
内环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量，通过对该误差的滑模控制降低燃料电池输出电流纹波；
占空比计算模块，根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
其中，状态空间数学模型建立模块采用状态空间平均法建立状态空间数学模型。
本实施例的燃料电池DC/DC升压变换器控制系统中，电压外环滑模控制器和电流内环滑模控制器都是基于超螺旋算法的二阶滑模控制方法设计得到，电压外环滑模控制器保证输出电压稳定在期望的电压值，并为电流内环提供参考电流，电流内环滑模控制器保证实际燃料电池输出电流跟踪到内环参考电流，能快速的跟踪目标值，负载变化时的稳态误差较小，可有效地抑制抖振现象，降低燃料电池输出电流纹波，提高燃料电池的使用寿命，对输入电感、输出电容、输入电压和负载电阻等参数的变化具有鲁棒性。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，包括：
步骤S1，建立升压变换器的状态空间数学模型；
步骤S2，计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
步骤S3，根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
步骤S4，计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量；
步骤S5，根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
2.如权利要求1所述的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，步骤S1中，状态空间数学模型采用状态空间平均法建立。
3.如权利要求2所述的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，状态空间数学模型为：
Figure FDA0002986626210000011
记状态空间数学模型为式①，式中Uo为升压变换器的输出电压，t为时间，R为负载阻抗，C为输出电容值，Ifc为实际燃料电池输出电流，L为输入电感值，E为燃料电池输出电压，u为占空比。
4.如权利要求3所述的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，步骤S3包括：
根据公式②
Figure FDA0002986626210000012
计算外环滑模变量的二阶导数，式中s1为外环滑模变量，Uref为参考电压；
通过式①消除公式②中的变量u，得到
Figure FDA0002986626210000013
Figure FDA0002986626210000014
式中
Figure FDA0002986626210000015
Φ1(x，t)的边界为|Φ1(x，t)|≤C1；
Figure FDA0002986626210000016
γ1(x，t)的边界为0<Km1≤Υ1(x，t)≤KM1；C1、Km1、KM1均为通过系统参数得到的正常数；
根据公式
Figure FDA0002986626210000021
设计外环控制律，式中u1既是外环控制律也是内环参考电流，z1为外环滑模面切换函数的积分，λ1、ω1为电压外环滑模控制器参数，使电压外环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure FDA0002986626210000022
5.如权利要求4所述的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，步骤S5包括：
根据公式
Figure FDA0002986626210000023
计算内环滑模变量的二阶导数，s2为内环滑模变量；式中
Figure FDA0002986626210000024
Φ2(x，t)的边界为|Φ2(x，t)|≤C2；
Figure FDA0002986626210000025
γ2(x，t)的边界为0<Km2≤γ2(x，t)≤KM2；C2、Km2、KM2均为通过系统参数得到的正常数；
根据公式
Figure FDA0002986626210000026
设计内环切换控制律，式中u2为内环切换控制律，z2为内环滑模面切换函数的积分，λ2、ω2为电流内环滑模控制器参数，使电流内环滑模控制器在有限时间内收敛的充分条件为：
Figure FDA0002986626210000027
根据
Figure FDA0002986626210000028
设计等效控制律
Figure FDA0002986626210000029
根据
Figure FDA00029866262100000210
Figure FDA00029866262100000211
计算升压变换器的占空比。
6.一种燃料电池DC/DC升压变换器控制系统，其特征在于，包括：
状态空间数学模型建立模块，用于建立升压变换器的状态空间数学模型；
外环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器输出电压与参考电压的误差的积分并定义为外环滑模变量；
内环参考电流计算模块，用于根据外环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电压外环滑模控制器，得到升压变换器的内环参考电流；
内环滑模变量计算模块，用于计算升压变换器实际燃料电池输出电流与内环参考电流的误差并定义为内环滑模变量；
占空比计算模块，用于根据内环滑模变量、状态空间数学模型并采用超螺旋滑模控制设计电流内环滑模控制器，得到升压变换器的占空比。
7.如权利要求6所述的燃料电池DC/DC升压变换器控制方法，其特征在于，状态空间数学模型建立模块采用状态空间平均法建立状态空间数学模型。
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