0 引言

    隨著傳統(tǒng)能源的枯竭和新能源技術的發(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，已逐步應用于工業(yè)中^[2]。雙極性直流微電網(wǎng)運行時，應使系統(tǒng)正、負極輸出的電壓相等以保證系統(tǒng)供電電能質量。基于電壓平衡器構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，已經提出多種電壓平衡器的結構，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能獲得良好的動態(tài)響應和穩(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]。滑模控制是一種非線性控制，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計一種雙積分滑模控制器，最后實驗結果表明本文設計的控制方法優(yōu)于PI控制。

1 Buck-Boost電壓平衡器結構

    Buck-Boost電壓平衡器結構如圖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為開關管；C₁、C₂為電容，設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。

    為了使硬件驅動開關管方便，兩個開關管互補導通。其工作狀態(tài)有兩種，如圖2所示。

    狀態(tài)1，S₁導通，S₂關斷，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，經過PI調節(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)）和電流上下限的調整得到Buck-Boost電壓平衡器的電感參考電流i_Lref。內環(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經過PI調節(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，本文設計雙積分滑模面。因此滑模控制器滑模面選取為：

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，應使下管關斷，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，應該使下管導通，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即開關管S₂的占空比d。DISM控制器的結構如圖4所示。

2.2.3 存在條件

    通過控制函數(shù)選擇合適的開關狀態(tài)使得滑模控制器滿足達到條件。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+，應有：

3 實驗驗證

    為了驗證所設計的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。控制電路分別實現(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，兩個開關管不導通，后加入電壓平衡的控制，兩個開關管互補導通。PI控制和DISM控制的實驗結果如圖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控制的調節(jié)時間約為6 ms，DISM控制調節(jié)時間約為4 ms。相比PI控制，DISM控制的調節(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控制的調節(jié)時間約為14 ms，DISM控制調節(jié)時間為約5 ms。相比PI控制，DISM控制的調節(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的結果表明，本文所設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)方程基礎上，通過雙積分滑模控制算法得到開關管的控制量。實驗結果表明，變換器剛加入控制算法時，雙積分滑模控制器能加快系統(tǒng)的響應，縮短調節(jié)時間；工作過程中負荷突變時，雙積分滑模控制器能縮短動態(tài)調節(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 電力學院，廣東 廣州510640）