文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181397
中文引用格式： 黃奇林，曹江華，丁杰. 基于雙積分滑模控制的Buck-Boost電壓平衡器的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(12)：131-134.
英文引用格式： Huang Qilin，Cao Jianghua，Ding Jie. Double integral sliding mode control of a Buck-Boost voltage balancer[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(12)：131-134.
0 引言
隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和新能源技術(shù)的發(fā)展，直流微電網(wǎng)獲得了廣泛的研究[1]，特別是雙極性直流微電網(wǎng)由于其容量大、多電壓等級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，已逐步應(yīng)用于工業(yè)中[2]。雙極性直流微電網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)使系統(tǒng)正、負(fù)極輸出的電壓相等以保證系統(tǒng)供電電能質(zhì)量?；陔妷浩胶馄鳂?gòu)架的雙極性直流微電網(wǎng)是雙極性直流微電網(wǎng)常見(jiàn)的一種形式，其設(shè)計(jì)相對(duì)靈活，運(yùn)行可靠性較高，擴(kuò)展性較強(qiáng)[3-4]。
現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，已經(jīng)提出多種電壓平衡器的結(jié)構(gòu)，本文研究常規(guī)的Buck-Boost電壓平衡器的控制。Buck-Boost電壓平衡器大多采用PI控制器[5-6]，雖然PI控制器在一定范圍內(nèi)能獲得良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)效果，但是大范圍工作狀態(tài)下很難取得良好效果[7-9]?；？刂剖且环N非線(xiàn)性控制，具有全局穩(wěn)定、魯棒性強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，有學(xué)者將滑?？刂埔氲诫娏﹄娮酉到y(tǒng)的控制中，并取得優(yōu)越的效果[8-9]。本文設(shè)計(jì)一種雙積分滑模(Double Integral Sliding Mode，DISM)控制器運(yùn)用在Buck-Boost電壓平衡器的控制中。
本文首先研究Buck-Boost電壓平衡器的狀態(tài)方程，然后針對(duì)PI控制器存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)一種雙積分滑?？刂破?/a>，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的控制方法優(yōu)于PI控制。
1 Buck-Boost電壓平衡器結(jié)構(gòu)
Buck-Boost電壓平衡器結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中Vin為輸入電壓；L為電感，流過(guò)的電流為iL；S1、S2為開(kāi)關(guān)管；C1、C2為電容，設(shè)兩個(gè)電容的電容值相等為C；R1、R2代表正、負(fù)極負(fù)荷；up、un分別為正、負(fù)極電壓；LN表示中線(xiàn)，iN為中線(xiàn)電流。
為了使硬件驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管方便，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通。其工作狀態(tài)有兩種，如圖2所示。
狀態(tài)1，S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，狀態(tài)方程為：
由式(3)可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)，微分項(xiàng)為零，up=un，可推出iN=iL，d=0.5，即理想狀態(tài)下，開(kāi)關(guān)管S1和S2的占空比相等為0.5。
2 Buck-Boost電壓平衡器的控制
2.1 PI控制算法
傳統(tǒng)PI控制方法通常如圖3所示。采用電壓電流雙閉環(huán)控制，外環(huán)是電壓環(huán)，輸入為正、負(fù)極電壓，相減得到電壓誤差ev，經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)（kp1和ki1分別是電壓環(huán)比例系數(shù)和電壓環(huán)積分系數(shù)）和電流上下限的調(diào)整得到Buck-Boost電壓平衡器的電感參考電流iLref。內(nèi)環(huán)是電流環(huán)，電壓環(huán)得到的電感參考電流iLref與實(shí)際的電感電流iL相減得到電流誤差ei，0.5與電流誤差ei經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)（kp2和ki2分別是電流環(huán)比例系數(shù)和電流環(huán)積分系數(shù)）得到的值相減得到下管S2的占空比d，S1的導(dǎo)通信號(hào)與S2互補(bǔ)。
2.2 DISM控制算法
2.2.1 確定滑模面
文獻(xiàn)[10]和[11]指出，雙積分滑模面有減小穩(wěn)態(tài)誤差的優(yōu)勢(shì)，本文設(shè)計(jì)雙積分滑模面。因此滑?？刂破骰Ｃ孢x取為：
其中x1是正、負(fù)極電壓誤差；x2是電感電流誤差；x3是正、負(fù)極電壓誤差和電感電流誤差的一階積分；x4是正、負(fù)極電壓誤差和電感電流誤差的二階積分；iLref=K(up-un)，K>0，為了加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和減小穩(wěn)誤差，K適當(dāng)取大；α1、α2、α3、α4為滑動(dòng)系數(shù)。
2.2.2 求取控制器控制律
當(dāng)Buck-Boost電壓平衡器上管電壓大于下管電壓時(shí)，S為正，應(yīng)使下管關(guān)斷，使更多的能量傳到負(fù)極，以降低上管電壓；下管電壓大于上管電壓時(shí)，S為負(fù)，應(yīng)該使下管導(dǎo)通，使更多的能量傳到正極，以降低下管電壓。所以控制函數(shù)選取為：
其中ueq的取值范圍在0到1之間，ueq即開(kāi)關(guān)管S2的占空比d。DISM控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
2.2.3 存在條件
通過(guò)控制函數(shù)選擇合適的開(kāi)關(guān)狀態(tài)使得滑?？刂破鳚M(mǎn)足達(dá)到條件。存在條件獲得的方法是檢驗(yàn)局部可達(dá)性條件，即：
情況2，S<0，u=u+，應(yīng)有：
3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的DISM控制器的性能，搭建了基于STM32F103的Buck-Boost電壓平衡器數(shù)字控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)框圖如圖5所示?？刂齐娐贩謩e實(shí)現(xiàn)PI控制算法和DISM控制算法以進(jìn)行對(duì)比分析。負(fù)載是可突變電阻負(fù)載，模擬正、負(fù)極負(fù)荷突變情況。其余電路參數(shù)和控制器參數(shù)如表1所示。
3.1 實(shí)驗(yàn)工況1
實(shí)驗(yàn)工況1：R1=11.6 Ω，R2=18 Ω，初始時(shí)，正、負(fù)極電壓不加控制，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管不導(dǎo)通，后加入電壓平衡的控制，兩個(gè)開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通。PI控制和DISM控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。從圖6(a)、圖6(b)中可以看出，從加入電壓平衡控制到正、負(fù)電壓幾乎相等的過(guò)程中，PI控制的調(diào)節(jié)時(shí)間約為6 ms，DISM控制調(diào)節(jié)時(shí)間約為4 ms。相比PI控制，DISM控制的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了約33.3%。
3.2 實(shí)驗(yàn)工況2
實(shí)驗(yàn)工況2：初始時(shí)，R1=11.6 Ω，R2=18 Ω，后改變R2，使其突變到R2=8 Ω，R1一直保持不變。兩種控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖如圖7所示。從圖7(a)、圖7(b)中可以看出，從電阻突變到正、負(fù)極電壓再次穩(wěn)定，PI控制的調(diào)節(jié)時(shí)間約為14 ms，DISM控制調(diào)節(jié)時(shí)間為約5 ms。相比PI控制，DISM控制的調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了約64.3%；PI控制引起的正、負(fù)極電壓差約為1.8 V，DISM控制引起的正、負(fù)極電壓差約為1 V。相比PI控制，DISM控制使電壓差減小了約44.4%。
實(shí)驗(yàn)工況1和工況2的結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的控制算法能夠提高Buck-Boost電壓平衡器的控制動(dòng)態(tài)性能，有效抑制正、負(fù)極電壓的波動(dòng)。
4 結(jié)論
本文采用雙積分滑?？刂破骺刂艬uck-Boost電壓平衡器。在建立變換器的狀態(tài)方程基礎(chǔ)上，通過(guò)雙積分滑模控制算法得到開(kāi)關(guān)管的控制量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，變換器剛加入控制算法時(shí)，雙積分滑?？刂破髂芗涌煜到y(tǒng)的響應(yīng)，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間；工作過(guò)程中負(fù)荷突變時(shí)，雙積分滑?？刂破髂芸s短動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)間和減小正、負(fù)極電壓差。但上述研究還存在不足，其僅僅考慮了電壓平衡器負(fù)荷的簡(jiǎn)單變化情況，但是Buck-Boost電壓平衡器在實(shí)際的雙極性直流微電網(wǎng)系統(tǒng)中面對(duì)的工作環(huán)境比較復(fù)雜，有待進(jìn)一步研究。
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作者信息:
黃奇林，曹江華，丁 杰
（華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州510640）