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        基于雙三相 PMSM車載充電器的雙環(huán)滑??刂?/h1>
        2021-09-02 03:57:54顧鴻赟劉陵順
        微特電機(jī) 2021年8期
        關(guān)鍵詞:充電器功率因數(shù)滑模

        顧鴻赟,李 巖,劉陵順

        (1.海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院,煙臺(tái) 264001;2.中國(guó)人民解放軍92925部隊(duì),長(zhǎng)治 046000)

        0 引 言

        近年來(lái),新能源汽車成為了汽車行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的新興產(chǎn)業(yè)。軍事領(lǐng)域中,混合動(dòng)力戰(zhàn)車和多電飛機(jī)也有了長(zhǎng)足的發(fā)展。低碳減排的電能驅(qū)動(dòng),對(duì)電池的快速充電提出了更高要求[1]。根據(jù)充電方式的不同,可將充電器分為非車載充電器和車載充電器,其中車載充電器加裝在車體內(nèi)部,雖然體積質(zhì)量受限、充電功率較小,但成本較低,可用工頻單相或三相電源直接充電,使用更為方便[2]。輕便型大功率車載充電器成為了未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

        在車載充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面,文獻(xiàn)[3-5]對(duì)多相電機(jī)的驅(qū)動(dòng)充電集成一體化進(jìn)行了研究,介紹了不同類型的驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和充電模式的工作原理。文獻(xiàn)[6-7]提出了采用九開(kāi)關(guān)電源變換器的六相永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),電力電子元件數(shù)量相比六相變換器又減少了三分之一。在充電器控制策略方面,文獻(xiàn)[8-9]采用傳統(tǒng)PI控制策略。這類控制策略的穩(wěn)定性依賴于電機(jī)模型和系統(tǒng)參數(shù),易受外界干擾影響。而滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)質(zhì)上屬于非線性控制算法,具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、自適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[10-14]。在滑??刂期吔芍校e分趨近率能夠減小穩(wěn)態(tài)誤差,抑制抖振[15],更適用于本文的車載充電器充電模型。

        為提高車載充電器的抗干擾能力和動(dòng)靜態(tài)性能,減少電力元件的損耗,本文采用驅(qū)動(dòng)充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),設(shè)計(jì)了充電模式下電壓電流雙環(huán)滑??刂撇呗裕Y(jié)合SVPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)電力開(kāi)關(guān)控制。通過(guò)仿真,驗(yàn)證了雙環(huán)滑??刂频能囕d充電器比傳統(tǒng)的PI控制系統(tǒng)具有更優(yōu)的穩(wěn)定性、魯棒性和動(dòng)態(tài)性能。

        1 車載充電器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

        1.1 驅(qū)動(dòng)/充電一體化的車載充電器工作原理

        本文驅(qū)動(dòng)/充電一體化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由車體內(nèi)部的六相永磁同步電機(jī)(具有兩個(gè)獨(dú)立的中性點(diǎn))、九開(kāi)關(guān)變換器和四個(gè)接觸器(S1~S4)組成,由車體外部的工頻三相交流電源供電。當(dāng)系統(tǒng)工作在充電模式下,接觸器 S1~S4斷開(kāi),外部的三相電源接入車體,三相電源的A相連接電機(jī)a、d相,B相連接b、f相,C相連接c、e相,九開(kāi)關(guān)變換器的中位開(kāi)關(guān)Gm1~Gm3始終導(dǎo)通(簡(jiǎn)化為短路)。這種連接方式讓兩套定子繞組中產(chǎn)生一對(duì)大小相等、方向相反的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),磁場(chǎng)同時(shí)作用于轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)矩相互抵消[4,16]。由于汽車充電過(guò)程和驅(qū)動(dòng)過(guò)程不會(huì)同時(shí)存在,因此,車輛行駛前卸下外接的三相電源后,系統(tǒng)可工作在驅(qū)動(dòng)模式下,控制系統(tǒng)將接觸器S1~S4閉合,電池的直流電經(jīng)九開(kāi)關(guān)變換器轉(zhuǎn)化為交流電,驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。本文驅(qū)動(dòng)過(guò)程不予討論。

        圖1 車載充電器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

        系統(tǒng)工作在充電模式下,將對(duì)稱/非對(duì)稱六相永磁同步電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)進(jìn)行Clarke變換[4,17],機(jī)電能量轉(zhuǎn)換平面(α-β平面)中電流分量如表1所示。對(duì)于對(duì)稱六相PMSM,電流分量為iα=iβ=0,則不存在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。對(duì)于非對(duì)稱六相PMSM,其電流分量iα、iβ的數(shù)值大小成比例(iα/iβ≈3.73),相位相同,產(chǎn)生脈動(dòng)磁場(chǎng),這種磁場(chǎng)也不能使電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。即兩種電機(jī)都可以在充電過(guò)程中保持轉(zhuǎn)子靜止,定子作濾波電感,本文采用對(duì)稱六相PMSM。

        表1

        本文重點(diǎn)研究AC-DC整流過(guò)程,有關(guān) DC-DC二級(jí)變換器和蓄電池模型暫不考慮,并用電阻代替。

        1.2 充電模式下電路圖的等效簡(jiǎn)化

        經(jīng)過(guò)分析計(jì)算,在充電模式下,通過(guò)調(diào)整六相PMSM與三相電源連接順序,定子無(wú)法產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),定子繞組可充當(dāng)濾波元件,九開(kāi)關(guān)變換器的中間三個(gè)開(kāi)關(guān)始終處于導(dǎo)通狀態(tài)。因此,圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以等效為如圖2所示的電路圖。圖2中,每?jī)上嗬@組并聯(lián),每相定子繞組的電阻、電感相等,進(jìn)一步可將圖2中三條支路中并聯(lián)的電阻、電感值整體等效為R、L。

        圖2 充電模式下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖

        2 雙環(huán)滑模變結(jié)構(gòu)控制策略

        對(duì)于本文的車載充電器模型,設(shè)計(jì)控制策略有兩個(gè)目標(biāo):一是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行在充電模式下,輸出直流電壓能快速穩(wěn)定地跟蹤給定電壓值,并在系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),有良好的抗擾能力;二是系統(tǒng)能夠工作在單位功率因數(shù)下,諧波較小,減少對(duì)三相電網(wǎng)的污染,同時(shí)減少電機(jī)的機(jī)械振動(dòng)。

        圖3 雙環(huán)滑??刂平Y(jié)構(gòu)圖

        2.1 電壓環(huán)滑模控制設(shè)計(jì)

        根據(jù)等效電路圖,對(duì)于交流側(cè),根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得到系統(tǒng)在三相靜止坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型:

        (1)

        對(duì)于直流側(cè),根據(jù)基爾霍夫電流定律可知:

        (2)

        根據(jù)直流側(cè)與交流側(cè)的功率平衡關(guān)系,可知:

        udid+uqiq=idcVdc

        (3)

        式(3)中,ud、uq、id、iq為d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的電壓電流分量,iC為流過(guò)電容的電流,iR為流過(guò)負(fù)載RL的電流,Vdc為直流側(cè)電壓。將式(2)代入式(3):

        (4)

        通過(guò)控制交流側(cè)電流,達(dá)到控制直流側(cè)電壓的目的,因此采用積分趨近律設(shè)計(jì)電壓環(huán)滑模面:

        (5)

        則對(duì)式(5)求導(dǎo)得:

        (6)

        將式(4)代入,可得:

        (7)

        設(shè)計(jì)電壓環(huán)虛擬控制id的期望值:

        (8)

        式中:ρu>0。

        考慮Lyapunov函數(shù):

        (9)

        則:

        (10)

        2.2 電流環(huán)滑模控制設(shè)計(jì)

        在d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下,式(1)可寫成:

        (11)

        式(11)寫成矩陣形式:

        (12)

        通過(guò)控制交流側(cè)電壓,達(dá)到控制交流側(cè)電流的目的,同樣采用積分趨近律設(shè)計(jì)電流環(huán)滑模面:

        (13)

        對(duì)式(13)求導(dǎo),得:

        (14)

        同理,設(shè)計(jì)電流環(huán)虛擬控制量ud、uq的期望值:

        (15)

        關(guān)于Lyapunov穩(wěn)定性的證明與電壓環(huán)類似,不再贅述。

        3 仿真驗(yàn)證

        3.1 系統(tǒng)參數(shù)配置

        為驗(yàn)證本文控制策略的可行性和有效性,并與傳統(tǒng)PI控制策略對(duì)比,分析兩種控制策略的優(yōu)缺點(diǎn),將兩種控制策略同時(shí)作用于系統(tǒng),系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

        表2 系統(tǒng)參數(shù)

        在控制策略參數(shù)設(shè)置中,電流環(huán)的動(dòng)態(tài)性能影響電壓環(huán)的穩(wěn)定性,進(jìn)而會(huì)影響到整個(gè)車載充電器閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了實(shí)現(xiàn)收斂速度快的電流環(huán)滑??刂?,在仿真過(guò)程中采用電流環(huán)收斂速度大于電壓環(huán)的收斂速度,從而保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本仿真中?。簁1=170,kd=kq=1 500,ρu=ρd=ρq=1。

        3.2 仿真環(huán)境搭建

        利用MATLAB/Simulink搭建集成車載充電器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖,如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)圖

        電壓環(huán)滑??刂颇K按式(8)搭建,仿真圖如圖5所示。電流環(huán)滑??刂颇K按式(15)搭建,仿真圖如圖6所示。有關(guān)六相電機(jī)的模擬仿真詳見(jiàn)文獻(xiàn)[18-19]。

        圖5 電壓環(huán)滑??刂颇K

        圖6 電流環(huán)滑模控制模塊

        3.3 仿真結(jié)果分析

        設(shè)置初始給定直流輸出電壓為700 V,在0.1 s后,給定直流輸出電壓設(shè)置為800 V,兩種控制策略的響應(yīng)曲線如圖7所示。

        圖7 給定直流電壓變化時(shí),輸出直流電壓對(duì)比

        在起動(dòng)階段,滑??刂撇呗远寄苁瓜到y(tǒng)在0.03 s內(nèi)將輸出直流電壓穩(wěn)定在700 V,而PI控制策略在0.03 s時(shí),直流輸出電壓Vdc≈735 V,隨后誤差緩慢減小,到t=0.1 s時(shí),直流輸出電壓Vdc≈713 V 。

        當(dāng)給定直流電壓發(fā)生跳變時(shí),滑??刂撇呗阅茉?.02 s內(nèi),將直流輸出電壓平滑地升至800 V。PI控制策略過(guò)渡時(shí)間較長(zhǎng),過(guò)渡到穩(wěn)態(tài)后誤差逐漸減小,電壓最終穩(wěn)定在Vdc≈804 V。

        3.3.2 直流側(cè)負(fù)載電阻RL變化的情況

        設(shè)置初始負(fù)載電阻RL=40 Ω,0.1 s后設(shè)置RL=20 Ω,在不改變?nèi)魏慰刂茀?shù)的條件下,兩種控制策略的響應(yīng)曲線如圖8所示。

        圖8 直流側(cè)負(fù)載電阻變化時(shí),輸出直流電壓對(duì)比

        滑??刂撇呗缘妮敵鲋绷麟妷航?jīng)過(guò)平穩(wěn)過(guò)渡后,在t=0.12 s后能夠穩(wěn)定在給定電壓700 V;而PI控制策略的直流電壓在t=0.14 s以后穩(wěn)定在668 V,穩(wěn)態(tài)誤差為32 V??梢?jiàn),在控制參數(shù)不變的情況下,PI控制策略易受直流側(cè)負(fù)載的影響,當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時(shí),無(wú)法較好地跟蹤給定直流電壓。

        3.3.3 功率因數(shù)及諧波分析

        設(shè)置給定直流電壓為700 V,分析兩種控制策略運(yùn)行下系統(tǒng)的功率因數(shù)和諧波。

        根據(jù)圖9可知,兩種控制策略均能在單位功率因數(shù)(均大于0.995)下運(yùn)行,但PI控制策略下功率因數(shù)的波動(dòng)略大于雙滑??刂撇呗裕⑶以谄饎?dòng)階段,滑模控制策略的功率因數(shù)(cosφ>0.73)大于PI控制策略下功率因數(shù)(cosφ>0.52)。圖10為兩種控制策略下A相電流諧波含量分析圖。其中滑??刂撇呗韵翧相電流總諧波畸變率THD=0.84%,PI控制策略下的A相電流總諧波畸變率THD=4.00%。

        圖9 兩種控制策略下系統(tǒng)的功率因數(shù)

        圖10 諧波分析圖

        通過(guò)仿真結(jié)果的分析可見(jiàn),對(duì)比傳統(tǒng)PI控制策略,采用積分趨近律的雙閉環(huán)滑??刂撇呗詫?duì)給定電壓和直流側(cè)負(fù)載的擾動(dòng)具有更好的魯棒性,動(dòng)態(tài)性能更優(yōu),并實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流單位功率因數(shù)控制,使得交流側(cè)電流的總諧波畸變率更小,對(duì)三相電網(wǎng)的污染更少。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文以集成雙三相PMSM和九開(kāi)關(guān)變換器的車載充電器模型為研究對(duì)象,運(yùn)用滑模變結(jié)構(gòu)控制及SVPWM技術(shù),采用積分趨近律設(shè)計(jì)充電模式下電壓電流雙環(huán)滑模控制策略。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,與傳統(tǒng)的雙閉環(huán)PI控制策略對(duì)比,在保證單位功率因數(shù)運(yùn)行和電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)的前提下,當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí),雙環(huán)滑??刂撇呗該碛懈鼉?yōu)抗干擾能力和動(dòng)態(tài)性能。

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