吳德剛 陳乾輝

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)控制策略無(wú)法確保大功率車載充電機(jī)前端PWM整流器輸入電流的諧波分量低和動(dòng)態(tài)性能高的難題，提出了一種快速負(fù)載前饋控制策略，該控制策略利用電容能量反饋提高動(dòng)態(tài)性能，采用系數(shù)校正來(lái)消除干擾的影響。通過(guò)與雙閉環(huán)控制策略和負(fù)載前饋控制策略的對(duì)比仿真試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，該快速控制策略的性能最優(yōu)，能夠同時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)性能高和輸入電流諧波含量低的效果。

Abstract： A fast load feedforward control strategy is proposed，aiming at the problems that the traditional control strategy can't ensure the low harmonic component of the input current and high dynamic performance of the system for the PWM rectifier of the high-power vehicle charger.This control strategy uses capacitive energy feedback to improve dynamic performance and uses coefficient correction to eliminate the effects of interference.Through comparative simulation experiments with double closed-loop control strategy and load feedforward control strategy， it is found that the fast control strategy has the best performance.It can achieve the effects of high dynamic performance and low input current harmonic content at the same time.

關(guān)鍵詞：大功率;充電機(jī);控制策略;能量反饋;系數(shù)校正

Key words： high power;charger;control strategy;energy feedback;coefficient correction

中圖分類號(hào)：TM912.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2020）20-0065-03

0?; 引言

大功率快速車載充電機(jī)是制約電動(dòng)汽車市場(chǎng)推廣的瓶頸，當(dāng)前車載充電機(jī)前級(jí)整流器通常采用PWM技術(shù)，雖然該技術(shù)具有較小的輸入電流諧波和較好的動(dòng)態(tài)性能，但面對(duì)蓄電池常用的三級(jí)充電模式，該技術(shù)的動(dòng)態(tài)性能和充電效率將大大降低[1]。針對(duì)該問(wèn)題，許多學(xué)者提出了控制策略，比如劉桂花提出通過(guò)增大電壓環(huán)帶寬提高其動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)通過(guò)算法抑制輸出電壓的紋波，但是該算法復(fù)雜，耗時(shí)長(zhǎng)[2];黃靜將負(fù)載功率引入前饋，但是沒(méi)有系數(shù)校正，因此該方法的魯棒性不強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性易受干擾影響[3]。鑒于此，將電容能量引入前饋控制，并采用系數(shù)校正，確保系統(tǒng)具有低輸入電流諧波含量和高動(dòng)態(tài)性能。

1? 控制原理

1.1 負(fù)載功率前饋? 車載充電機(jī)前級(jí)單相PWM整流電路采用全橋形式，電路如圖1所示。其中，es為輸入電壓，L為濾波電感，C為濾波電容，R為電感的寄生電阻，is為輸入電流，idc為直流端電流，udc為輸出電壓，RL為負(fù)載。由電路的KVL定律，可得關(guān)系如式（1）所示。

式（1）可簡(jiǎn)化為式（2）和式（3）。

在式（2）兩邊同乘以is（t），式（3）兩邊同乘以u(píng)dc（t）分別得到式（4）和式（5）。

將看成輸入功率，看成輸出功率，不計(jì)中間環(huán)節(jié)的損耗，輸入功率等于輸出功率，即：

將式（4）、式（5）、式（6）聯(lián)立可得：

其中，表示輸入功率，用Pin表示;表示電感的存儲(chǔ)功率，用PL表示;表示電感的寄生電阻的功率，用PR表示;表示電容的儲(chǔ)存功率，用PC表示;表示負(fù)載的功率，用PLoad表示。利用功率符號(hào)表示，則式（7）可以寫成：

考慮到電感的寄生電阻很小，因此PR可以忽略不計(jì)，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)時(shí)，is（t）恒定，因此電感的存儲(chǔ)功率PL為0，雖然系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程會(huì)有一定的變化，但考慮到如果計(jì)入PL會(huì)造成輸入電流的諧波影響控制系統(tǒng)，不計(jì)入時(shí)影響反而更小，因此將PL忽略不計(jì)。綜上分析，式（8）可以簡(jiǎn)化為：（9）

電容功率PC與能量EC之間是微分的關(guān)系，因此可以采用式（10）所示的PI調(diào)節(jié)器，進(jìn)行控制。

其中，KEP為比例系數(shù)，KEI為積分系數(shù)，P*C為給定電容功率，E*C為給定電容能量。

根據(jù)PC、PRL和ES可計(jì)算出輸入電流的有效值IS，同時(shí)可推導(dǎo)出內(nèi)環(huán)電流給定值I*，分別如式（11）、式（12）所示。

根據(jù)上述分析，可設(shè)計(jì)出控制系統(tǒng)的框圖如圖2所示。

在該控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，為了提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，將負(fù)載功率反饋到了電流環(huán)的前面，但該系統(tǒng)還存在擾動(dòng)的影響。

1.2 系數(shù)校正

針對(duì)系統(tǒng)存在受擾動(dòng)影響的原因，在負(fù)載功率前饋的環(huán)節(jié)增加系數(shù)校正。首先將圖2所示的系統(tǒng)控制框圖進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的控制框圖如圖3所示。

其中，GP（s）、GI（s）、G（s）和GR（s）分別表示比例積分環(huán)節(jié)、內(nèi)環(huán)傳函、積分環(huán)節(jié)和擾動(dòng)。根據(jù)梅遜公式，可寫出負(fù)載擾動(dòng)的傳函為：負(fù)載的擾動(dòng)功率為：

從式（14）可以看出，采用負(fù)載前饋之后，擾動(dòng)干擾較之前減低了，但并未完全消除，因此采用系數(shù)校正，使負(fù)載擾動(dòng)的傳函變?yōu)?，具體做法是在負(fù)載功率的前向通道中加入Gm（s）進(jìn)行系數(shù)校正，其系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

根據(jù)梅遜公式，可寫出負(fù)載擾動(dòng)的傳函為：

令，可推出為：

綜上分析，可得到前饋加系數(shù)校正的控制框圖如圖5所示。

在電流內(nèi)環(huán)為一階慣性環(huán)節(jié)時(shí)，前饋校正系數(shù)可以簡(jiǎn)化為。

2? 參數(shù)整定

圖 5所示電路的電流內(nèi)環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)快速跟蹤電流的目的，一般采用零極點(diǎn)對(duì)消法將電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)整定為一階慣性環(huán)節(jié)[4-6]，其中令■則電流內(nèi)環(huán)的開、閉環(huán)傳遞函數(shù)分別為：

其中為慣性時(shí)間常數(shù)，用Ti表示。

由此，可以得到控制系統(tǒng)電容能量的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

按照典型Ⅱ型目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)[7]，Ⅱ型目標(biāo)函數(shù)為：（21）

其中，，，將式（20）和式（21）對(duì)比，可以得到T=Ti，按照Ⅱ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，中頻帶寬取值為5，由此可以得到電容環(huán)的比例、積分參數(shù)分別如式（22）、式（23）所示。

3? 仿真分析

為了更加清晰的看出文中提出的快速控制策略的性能，將其與電壓電流雙閉環(huán)、負(fù)載功率前饋兩種控制策略進(jìn)行對(duì)比分析。

采用快速控制、電壓電流雙閉環(huán)控制、負(fù)載功率前饋控制三種策略，針對(duì)系統(tǒng)的干擾動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真對(duì)比分析，其干擾動(dòng)態(tài)特性對(duì)比結(jié)果分別如圖6所示。

從圖6可以看出，三種控制策略中，快速控制策略的THD最小，輸入電流的諧波含量最少;在0.5s處有一擾動(dòng)，三種控制策略中，快速控制策略的魯棒性最好，即受干擾影響超調(diào)量最小，響應(yīng)時(shí)間最短。綜合分析，快速控制策略采用電容能量前饋加系數(shù)校正能夠確保控制系統(tǒng)的輸入電流諧波含量少，動(dòng)態(tài)性能好。

4? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)車載充電機(jī)的前級(jí)AC-DC整流器，將電容能量引入前饋，達(dá)到了降低輸入電流諧波含量的目的，采用系數(shù)校正縮短了動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間，降低了超調(diào)量，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

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