文獻(xiàn)標(biāo)識碼： 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?？刂频腂uck-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)常見的一種形式,，其設(shè)計(jì)相對靈活，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,，有學(xué)者將滑模控制引入到電力電子系統(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PI控制器存在的問題設(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,，流過的電流為iL,；S1、S2為開關(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,，iN為中線電流。
為了使硬件驅(qū)動(dòng)開關(guān)管方便,，兩個(gè)開關(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，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
通過控制函數(shù)選擇合適的開關(guān)狀態(tài)使得滑模控制器滿足達(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,。實(shí)驗(yàn)平臺框圖如圖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)開關(guān)管不導(dǎo)通，后加入電壓平衡的控制,，兩個(gè)開關(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
本文采用雙積分滑模控制器控制Buck-Boost電壓平衡器,。在建立變換器的狀態(tài)方程基礎(chǔ)上,，通過雙積分滑模控制算法得到開關(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)，雙積分滑模控制器能加快系統(tǒng)的響應(yīng),，縮短調(diào)節(jié)時(shí)間,；工作過程中負(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）