DC/DC变换器的滑模控制

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随着电力需求的发展,人们对电力电子装置输出的电能质量也日益关注,特别是当大量电力电子装置应用于风能、光伏等新能源微网中。由于风能,太阳能等能量源的不确定性和大范围波动,传统的线性控制策略很难在此复杂环境下保证电力电子装置输出良好的电能质量。近年来,越来越多的学者也将研究方向投向于电力电子变换器的非线性控制,在这其中,滑模变结构控制因为其良好的控制性能越来越得到大家的青睐。相较于其他DC/DC变换器,Boost变换器除了会涉及到双模式工作外,还具有非最小相位的特点。因此,本文选择Boost变换器为控制对象。本文基于滑模变结构控制的理论基础,参照PID控制的思路,选择经过电压采样网络后的电压误差,电压误差的积分和电压误差变换率这三项为滑模控制的状态变量,构建滑动面,然后通过关联滑动系数和动态响应之间的关系,给出了Boost变换器滑模控制的实现框图。并针对实施过程中电容电流不易采样的问题,本文提出了通过电感电流采样,间接计算的方法,并统一了在CCM和DCM下的计算公式。关于Boost变换器的非最下相位问题,本文从电路原理方向进行了分析。为了避免这一问题,PI控制采用电压电流双环控制的控制策略,滑模控制中则选择其控制带宽远低于右平面零点对应的角频率。同时PI双环控制中采用两种不同的PI参数来保证变换器不同模式下的性能。本文搭建了2.4kW的Boost变换器(24V/48V)实验平台,并对电感、电容、开关管和续流二极管进行了选型。平台的数字控制采用DSP+FPGA的形式。同时在PLECS中搭建变换器在两种控制算法下的仿真模型,对Boost变换器不同控制算法在两种模式下的工作状态进行了分析,并对比了电路负载波动时的变换器动态性能。针对Boost变换器启动过程大电流问题,设计中加入了软启动环节。最后,实验平台的测试结果验证了本文设计的滑模控制较双环控制有比较好的动态性能。
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