设计应用

基于滑模变结构与内模控制 相结合的VIENNA整流器控制策略研究

0 引言

    伴随着我国新能源汽车战略的推广以及新能源汽车产业的不断进步与发展,新能源汽车行业已经进入了一个崭新的发展时代[1]。电动汽车充电机的发展带动了新能源汽车的发展。VIENNA整流器是一种新型的功率因素校正电路拓扑,它以其开关应力小、开关数目少、不需要设置开关死区补偿控制、输入低谐波高功率因素等特点,常被用来设计作为电动汽车充电机的前级,以实现前级电路的整流以及有源功率因数校正。

    系统的动态性能和鲁棒性与系统控制策略紧密相关。近年来,国内外学者对VIENNA整流器的控制策略进行了大量的研究。其中,文献[2]提出了将滞环控制策略应用于VIENNA整流器,滞环控制策略能够简化系统结构,所以该策略易于实现,同时它的鲁棒性以及系统的响应速度都很好。但是采用滞环控制策略的电路往往有线路电流之间的耦合性强以及开关频率不固定等一些缺点。文献[3]首次提出了基于单周期控制的PWM整流器控制策略,文献[4]将单周期控制策略应用于VIENNA整流器。该控制策略有效改善了控制结构并且有稳态误差小等优点,而VIENNA整流器自身存在的中点电位不平衡的问题并没有能够解决。PI控制是现前应用最为广泛的控制方法[5],但是它对系统模型的精确度要求很高,参数整定较为复杂,鲁棒性以及动态响应往往难以满足设计要求。除此之外,无源性控制方法和直接功率控制方法也被用在了VIENNA整流器的控制器设计上,并且都不同程度地提高了整流器的性能,而同时它们也存在着参数整定的困难和直流电压难以跟踪等一些问题。本文提出一种滑模变结构内模控制方法相结合的控制方式,并将此控制方式应用在VIENNA整流器中。

    本文将滑模变结构控制(SMC)应用于VIENNA整理器电压外环的设计,电流内环则是采用内模控制(IMC)进行设计。仿真和实验结果表明,该控制策略鲁棒性强,不依赖负载参数,动态响应快,相比PI控制、滞环控制等控制策略有更强的优越性。

1 三相VIENNA整流器基本原理

    VIENNA整流器的主电路拓扑如图1所示。

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    为了方便研究其控制策略,现在对其作出假定:所有开关器件均为理想器件,电路开关频率远远大于网侧基波频率,三相输入电源工作在理想状态。根据文献[6-8],则电路拓扑在dq坐标系下的数学模型为:

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2 电流内环内模控制策略

2.1 内模控制原理

    内模控制(IMC)的设计依据过程数学模型,作为一种新型的控制策略具有控制器设计简便和控制性能稳定等优点,IMC的基本原理如图2、图3所示。

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    图2中,系统的输入信号和输出信号分别为R(s)和Y(s);GIMC(s)和G(s)分别为系统内模控制器和系统控制对象;dy3-t2-x1.gif是被控对象的内模;D(s)和d(s)分别为系统外界扰动和系统误差负反馈。

    图3为等效的控制图,其中:

    dy3-gs2.gif

2.2 三相VIENNA整流器电流内模控制

    根据式(1),令:

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3 电压外环控制器设计

3.1 滑模变结构控制器设计关键

    滑模变结构控制作为一种非线性控制已经逐步在电力电子控制领域取得了广泛的应用。设计滑模控制器的关键首先在于保证其滑动模态的存在,在此基础上使滑模运动能够趋于稳定并且最终满足系统的品质要求。

3.2 基于滑模变结构的VIENNA整流器电压外环设计

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    VIENNA整流器控制系统结构框图如图4所示。

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4 仿真及实验验证

    为验证基于滑模变结构的VIENNA整流器的内模控制策略的可靠性和优越性,用MATLAB/Simulink按图4搭建了模型对系统进行仿真。仿真模型的参数分别为:网侧输入相电压的有效值为110 V,频率是50 Hz;直流输出电压设定值为dy3-gs10-15-x1.gif=300 V;网侧电感值为2 mH;直流输出侧的电容值为2 200 μF;开关频率12 kHz。

    图5是系统刚启动时的直流输出电压响应波形。由此可见,输出电压在0.03 s左右的时候就达到稳定,响应速度和超调都较为理想,这就表明滑模控制策略的作用是强迫使系统运行轨迹在滑模面上运动并最终使系统快速趋向稳定。图6为系统在稳定工作状态下的网侧电压/电流波形,由图可见电压、电流为同相位且是标准正弦波,系统在单位功率因数下运行。

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    图7为直流给定电压在0.35 s时增加100 V并在0.12 s时跌落100 V的系统动态响应图。结合图7和图8可知,直流输出电压在0.35 s后只用了极短的时间就稳定在400 V,输出电压能精确跟踪电压给定值。给定电压突增或者突减时,输入电流也相应地突增或者突减并能保持标准正弦波形,电压电流能始终保持同相,系统功率因数为1。

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    搭建实验平台进一步验证所提理论的可行性。样机参数与仿真参数相同,样机采用TMS320F28033作为主控芯片来完成电压、电流的采样控制以及系统的驱动分配和电路的监控与保护。选用STM公司的型号为STW48NM60N大功率MOS管和GBJ25120整流桥组成双向开关。

    从图9的直流电压输出波形可以看到直流输出电压跟随性好、纹波小且电压值稳定;由网侧电压和电流波形可见输入电流可以较好地跟随输入电压且为正弦波,谐波成分较少,电流、电压接近同相位,从而实现了样机的单位功率因数控制。

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5 结论

    本文介绍了一种新的非线性控制策略并将其应用于VIENNA整流器,电压外环和电流内环分别采用滑模控制和内模控制的控制方式。在此控制策略下进行了MATLAB/Simulink建模仿真以及搭建了实验平台对其进行实验验证,仿真结果表明在这种控制策略下VIENNA整流器的输出电压响应速度快、超调量小。当给定电压发生突变时,输出电压还能较好跟踪给定电压且变化值小,说明该控制策略动态性能良好且抗干扰能力强。输入电压和电流始终保持在同相位,且系统运行在单位功率因数下。实验结果则更好地验证了该控制策略的可行性。

参考文献

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作者信息:

王贤东,邵如平,李  艳

(南京工业大学 电气工程与控制科学学院,江苏 南京211816)

VIENNA整流器 数学模型 滑模变结构 内模控制