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,，已逐步應(yīng)用于工業(yè)中^[2]。雙極性直流微電網(wǎng)運行時,，應(yīng)使系統(tǒng)正,、負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)計相對靈活，運行可靠性較高,，擴展性較強^[3-4],。

    現(xiàn)有的文獻中，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],。滑?？刂剖且环N非線性控制,，具有全局穩(wěn)定、魯棒性強,、容易實現(xiàn)等優(yōu)點,。近年來，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)計一種雙積分滑模(Double Integral Sliding Mode,，DISM)控制器運用在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)計一種雙積分滑模控制器,，最后實驗結(jié)果表明本文設(shè)計的控制方法優(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V_in為輸入電壓,；L為電感,，流過的電流為i_L,；S₁、S₂為開關(guān)管,；C₁,、C₂為電容，設(shè)兩個電容的電容值相等為C,；R₁,、R₂代表正、負極負荷,；u_p,、u_n分別為正、負極電壓,；L_N表示中線,，i_N為中線電流。

    為了使硬件驅(qū)動開關(guān)管方便,，兩個開關(guān)管互補導(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，微分項為零,，u_p=u_n,，可推出i_N=i_L，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,、負極電壓,，相減得到電壓誤差e_v，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)（k_p1和k_i1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i_Lref,。內(nèi)環(huán)是電流環(huán),，電壓環(huán)得到的電感參考電流i_Lref與實際的電感電流i_L相減得到電流誤差e_i，0.5與電流誤差e_i經(jīng)過PI調(diào)節(jié)（k_p2和k_i2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,。

2.2 DISM控制算法

2.2.1 確定滑模面

    文獻[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)計雙積分滑模面,。因此滑?？刂破骰Ｃ孢x取為：

其中x₁是正、負極電壓誤差,；x₂是電感電流誤差,；x₃是正、負極電壓誤差和電感電流誤差的一階積分,；x₄是正,、負極電壓誤差和電感電流誤差的二階積分；i_Lref=K(u_p-u_n),，K>0,，為了加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)和減小穩(wěn)誤差，K適當取大,；α₁,、α₂、α₃,、α₄為滑動系數(shù),。

2.2.2 求取控制器控制律

    當Buck-Boost電壓平衡器上管電壓大于下管電壓時，S為正,，應(yīng)使下管關(guān)斷,，使更多的能量傳到負極，以降低上管電壓,；下管電壓大于上管電壓時,，S為負，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u_eq的取值范圍在0到1之間,，u_eq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?？刂破鳚M足達到條件,。存在條件獲得的方法是檢驗局部可達性條件,，即：

    情況2,，S<0，u=u+，應(yīng)有：

3 實驗驗證

    為了驗證所設(shè)計的DISM控制器的性能,，搭建了基于STM32F103的Buck-Boost電壓平衡器數(shù)字控制實驗平臺,。實驗平臺框圖如圖5所示?？刂齐娐贩謩e實現(xiàn)PI控制算法和DISM控制算法以進行對比分析,。負載是可突變電阻負載，模擬正,、負極負荷突變情況,。其余電路參數(shù)和控制器參數(shù)如表1所示。

3.1 實驗工況1

    實驗工況1：R₁=11.6 Ω,，R₂=18 Ω,，初始時，正,、負極電壓不加控制,，兩個開關(guān)管不導(dǎo)通，后加入電壓平衡的控制,，兩個開關(guān)管互補導(dǎo)通,。PI控制和DISM控制的實驗結(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、負電壓幾乎相等的過程中,，PI控制的調(diào)節(jié)時間約為6 ms,，DISM控制調(diào)節(jié)時間約為4 ms。相比PI控制,，DISM控制的調(diào)節(jié)時間縮短了約33.3%,。

3.2 實驗工況2

    實驗工況2：初始時，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,。兩種控制的實驗結(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、負極電壓再次穩(wěn)定,，PI控制的調(diào)節(jié)時間約為14 ms,，DISM控制調(diào)節(jié)時間為約5 ms。相比PI控制，DISM控制的調(diào)節(jié)時間縮短了約64.3%,；PI控制引起的正,、負極電壓差約為1.8 V，DISM控制引起的正,、負極電壓差約為1 V,。相比PI控制，DISM控制使電壓差減小了約44.4%,。

    實驗工況1和工況2的結(jié)果表明,，本文所設(shè)計的控制算法能夠提高Buck-Boost電壓平衡器的控制動態(tài)性能，有效抑制正,、負極電壓的波動,。

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,。實驗結(jié)果表明,，變換器剛加入控制算法時，雙積分滑?？刂破髂芗涌煜到y(tǒng)的響應(yīng),，縮短調(diào)節(jié)時間；工作過程中負荷突變時,，雙積分滑?？刂破髂芸s短動態(tài)調(diào)節(jié)時間和減小正、負極電壓差,。但上述研究還存在不足,，其僅僅考慮了電壓平衡器負荷的簡單變化情況，但是Buck-Boost電壓平衡器在實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）