李東山,宋曉娜,宋 帥
(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)
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基于無(wú)源性的光伏DC/DC變換器的全局滑模控制
李東山,宋曉娜,宋 帥
(河南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)
在光伏發(fā)電系統(tǒng)中,當(dāng)其受環(huán)境影響時(shí),系統(tǒng)輸出電壓及功率不穩(wěn)定,主要由DC/DC變換器來(lái)實(shí)現(xiàn)其過(guò)程能量轉(zhuǎn)換,因此研究高效的DC/DC變換器控制方法具有重要意義;引入了一種滿足無(wú)源性的DC/DC變換器,同時(shí)引入一種新的指數(shù)趨近律,設(shè)計(jì)全局滑??刂撇呗?;所設(shè)計(jì)控制方法不僅確保了系統(tǒng)狀態(tài)的穩(wěn)定性,而且提高了系統(tǒng)的魯棒性,減弱了DC/DC變換器的抖動(dòng)現(xiàn)象;并以雙向Buck變換器為例,通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)控制器的有效性。
光伏;全局滑??刂?;DC/DC變換器;雙向Buck變換器;無(wú)源性
隨著工業(yè)化進(jìn)程的迅猛推進(jìn),人們對(duì)能源的需求日益增加,伴隨而來(lái)的是世界能源危機(jī)以及一系列的環(huán)境污染問(wèn)題,因此,尋找可再生能源[1],成為人類和社會(huì)首要問(wèn)題之一。而太陽(yáng)能以其獨(dú)特的特點(diǎn)成為人類的首選,同時(shí)在最近幾十年里,光伏產(chǎn)業(yè)在世界各國(guó)都得到了迅猛的發(fā)展[2]。但是目前光伏發(fā)電的利用也存在著急需解決的問(wèn)題,即光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率偏低[3]。要解決此問(wèn)題,就要進(jìn)一步提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率,因此研究提高轉(zhuǎn)換效率的控制策略成為必要的問(wèn)題。
光伏發(fā)電系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換電路主要由DC/DC變換器實(shí)現(xiàn),因此為了提高光伏發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率,降低光伏發(fā)電的成本,有必要對(duì)DC/DC變換器的控制問(wèn)題進(jìn)行研究。而在對(duì)DC/DC變換器控制問(wèn)題的研究中,文獻(xiàn)[4]中采用滑模變結(jié)構(gòu)的方法,提出了研究中,文獻(xiàn)[4]采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的方法,提出了新方法解決了復(fù)雜全橋式串聯(lián)共振型DC/DC變換器繁瑣參數(shù)調(diào)節(jié)的問(wèn)題;而文獻(xiàn)[5]采用了自適應(yīng)控制的方法,解決了DC/DC變換器在線估計(jì)變換器參數(shù)的問(wèn)題,除上以外,針對(duì)DC/DC變換器的相關(guān)控制問(wèn)題,文獻(xiàn)[6]用了自適應(yīng)反步法控制,文獻(xiàn)[7]用了準(zhǔn)滑??刂频取S梢陨涎芯靠芍?,這幾種控制方法各有優(yōu)缺點(diǎn)。
另一方面,無(wú)源性作為研究非線性系統(tǒng)的重要工具之一,在系統(tǒng)的分析與研究中受到廣泛關(guān)注,有很多文獻(xiàn)對(duì)DC/DC變換器系統(tǒng)的無(wú)源性控制及無(wú)源控制器設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。如文獻(xiàn)[12]無(wú)源控制的變換器閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)輸入電源負(fù)載擾動(dòng)的瞬態(tài)響應(yīng)特性均較好的效果等,而把無(wú)源性作為性能指標(biāo)在DC/DC變換器的控制中有較少的文獻(xiàn),但是把無(wú)源性作為性能指標(biāo)會(huì)使控制的效果更好。
本文在此基礎(chǔ)上采用全局滑??刂频牟呗裕瑥母旧蠝p少了控制時(shí)間,這不僅可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性,而且可增強(qiáng)魯棒性以及滿足無(wú)源性。同時(shí)引入一種新的控制趨近律,其能減弱抖動(dòng)現(xiàn)象,并以雙向Buck變換器為例,通過(guò)Matlab進(jìn)行仿真。
1.1 DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型的建立
Buck變換器是基本的DC/DC變換電路,而用MOSFET替代二極管組成的雙向同步Buck變換器如圖1所示,已成為實(shí)現(xiàn)高效率低電壓開(kāi)關(guān)電源的首選拓?fù)渲?,所以本文選用雙向Buck變換器為例進(jìn)行滑模變結(jié)構(gòu)控制研究。其中開(kāi)關(guān)管S1和S2工作在互補(bǔ)狀態(tài),則系統(tǒng)始終工作在CCM下。
圖1 雙向Buck變換器
圖2 不同開(kāi)關(guān)雙向Buck變換器電路 (a) u=1;(b) u=0
對(duì)于雙向Buck變換器,開(kāi)關(guān)管S1和S2不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的主電路結(jié)構(gòu),如圖2所示。
由圖1和圖2可知雙向Buck變換器在連續(xù)導(dǎo)電模式下,應(yīng)用KVL和KCL可得:
(1)
圖3 雙向Buck變換器的滑??刂破?/p>
滑模控制也稱變結(jié)構(gòu),其本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制,其可根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)有目的地不斷變化,迫使系統(tǒng)按照預(yù)定“滑動(dòng)模態(tài)”的狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng),而閉合回路系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為可由滑模面來(lái)規(guī)范。同時(shí)可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)計(jì)滑模面,雙向Buck變換器模型在理想狀態(tài)下,電壓控制器僅需要電壓v0和電感電流iL,但在開(kāi)關(guān)頻率有限或定頻滑??刂剖遣煌昝赖?,電壓v0存在穩(wěn)態(tài)誤差,使v0≠Vref。所以將以輸出電壓偏差x2及其微分x3為狀態(tài)變量,同時(shí)把輸出電壓偏差的積分x1引入控制器中形成附加的受控狀態(tài)變量,以起到優(yōu)化控制效果的作用。受控狀態(tài)變量的具體表達(dá)式為:
(2)
利用式(1)的變結(jié)構(gòu)模型和式(2)對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù),可得雙向Buck變換器的動(dòng)態(tài)模型,即:
則可得雙向Buck變換器系統(tǒng)建模矩陣方程為:
(3)
(A,B)是完全可控的,(A11,A12)是A的子系統(tǒng)且也可控的。
當(dāng)本文考慮雙向Buck變換器系統(tǒng)存在干擾時(shí),系統(tǒng)的建模矩陣方程由(3)式可得:
(4)
同樣可以得到:z(t)=cx(t)
(5)
1.2 全局滑??刂破鞯脑O(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)滑??刂破鲿r(shí),主要任務(wù)為選取合適的切換函數(shù),但是實(shí)際DC/DC控制器上,理想的原器件是不存在的,所有這些都會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。
現(xiàn)在借助滑模面函數(shù)來(lái)分析穩(wěn)態(tài)誤差,由于非理想因素的影響,滑模面函數(shù)引入誤差信號(hào)f(t),則:s(t)=G[x(t)-f(t)],其中f(t)是為了達(dá)到全局滑模而設(shè)計(jì)的函數(shù)且f(t)應(yīng)滿足以下條件:
1)f(0)=x(0);
2)t→∞時(shí),f(t)→0;
3)f(t)具有1階導(dǎo)數(shù)。
本文設(shè)計(jì)f(t)為f(t)=e-βtx(0)時(shí),滑模面即為全局滑模如下:
(6)
其中:G=[G1I],G1=R1×2,G11∈G1,G12∈G1。
當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在滑模面上時(shí)有:
同時(shí)把(5)式帶入(6)式可得:
(7)
則實(shí)際DC/DC控制器系統(tǒng)運(yùn)行在滑模面上的穩(wěn)態(tài)解為:
(8)
系統(tǒng)輸出電壓產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)電壓誤差的積分,當(dāng)時(shí)間無(wú)限大時(shí),
根據(jù)狀態(tài)方程(4)式,同時(shí)針對(duì)外加干擾的控制系統(tǒng),可采用等效控制加切換控制,即:
(9)
式(9)中的切換控制ud實(shí)現(xiàn)對(duì)外加干擾的魯棒控制。
(10)
為了提高對(duì)外加干擾的魯棒性和消除抖動(dòng),引入一種新的控制趨近律為:
(11)
其中:μ,η,α>0,λ≥0。可解得切換控制的表達(dá)式:
(12)
即可得:
根據(jù)李雅普諾夫函數(shù):
則:
(13)
將(5)式、(6)式和(11)式帶入(13)式,可得:
即可得:
(14)
則DC/DC變換器的全局滑模控制系統(tǒng)漸近穩(wěn)定。
2.1 系統(tǒng)的無(wú)源性
下面根據(jù)文獻(xiàn)[13]給出DC/DC變換器系統(tǒng)的無(wú)源性定義。
定義1:對(duì)于系統(tǒng)(4),如果存在一個(gè)常數(shù)α≥0,使得對(duì)于具有零初始值條件的每一個(gè)解,無(wú)源不等式:
(15)
對(duì)于所有的正常數(shù)t均成立,則稱系統(tǒng)(4)是無(wú)源的。
2.2 系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析
定理1:當(dāng)存在標(biāo)量α>0時(shí),如果存在一個(gè)對(duì)稱矩陣X>0,Y;使得下列參數(shù)相關(guān)矩陣不等式成立:
(16)
其中:Δ=AX+XAT+BY+YTB,同時(shí)令G=X-1和K=YX-1。
則DC/DC變換器滿足無(wú)源性的滑??刂葡到y(tǒng)漸進(jìn)穩(wěn)定。
證明:構(gòu)造Lyapunov函數(shù):
(17)
由系統(tǒng)的建模方程式(4),及對(duì)式(17)求導(dǎo)可得:
(18)
由式(6)的滑模面方程s(t)=0可知:
(19)
在零初始條件下,可得:
(20)
由式(18)和定義1可得:
(21)
其中:Δ=G(A+BK)+(A+BK)TG,
進(jìn)而把Q2的前后分別乘以矩陣diag{G-1,I},同時(shí)令G=X-1和K=YX-1,可得:
(22)
其中:Δ=AX+XAT+BY+YTB。
由式(21)和式(22)可得:
(23)
把式(23)兩邊積分可得:
(24)
即可得:
(25)
證明完畢。
為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的全局滑模控制算法的有效性,仿真時(shí)以圖3中雙向Buck變換器滑??刂破鞯男问竭M(jìn)行仿真,從而研究高效的DC/DC變換器的控制策略。
根據(jù)定理1可知,式(16)用LMI的解可得如下:
u1=-0.03x2(t)+0.0275x3(t)+0.01e-t+0.03s(t)+
仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖4 狀態(tài)響應(yīng)
圖5 滑模面
圖6 控制輸入
本文針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中的DC/DC變換器的控制,通過(guò)引入新的控制率進(jìn)行了全局滑模控制器設(shè)計(jì),通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了全局滑??刂撇呗缘挠行?,可得此控制策略增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性,同時(shí)使DC/DC變換器的控制滿足無(wú)源性。
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Global Sliding Model Control Based on Passivity of Photovoltaic DC/DC Converter
Li Dongshan, Song Xiaona, Song Shuai
(Information Engineering College, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023,China)
In photovoltaic power generation system, the output voltage and power of the system are not stable, the DC/DC converter plays an important role in the process of energy conversion, the high efficiency DC/DC converter control method is of great significance. Putting forward a kind of DC/DC converter can satisfy the passivity, at the same time introducing a new exponential reaching law, to design the global sliding mode control strategy. The design control method not only ensure the stability of the system state, and improve the robustness of the system, abate the dithering phenomenon of DC/DC converter; With bidirectional Buck converter as an example, verifying the effectiveness of the designed controller through MATLAB simulation.
photovoltaic; global sliding model control; DC/DC converter; bidirectional Buck converter; passivity
2015-12-03;
2015-12-30。
國(guó)家自然科學(xué)基金(61203047);河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(152102210273)。
李東山(1990-),男,河南周口人,碩士研究生,主要從事滑??刂?、魯棒控制和混沌控制方向的研究。
宋曉娜(1983-),女,遼寧海城人,副教授,博士,主要從事分?jǐn)?shù)階模糊系統(tǒng)、時(shí)滯系統(tǒng)、魯棒控制方向的研究。
1671-4598(2016)06-0106-04
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.029
TP13
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