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      雙向DC—DC變換器建模與控制器設(shè)計(jì)

      2017-12-11 12:23:01王曉明
      科技視界 2017年25期
      關(guān)鍵詞:數(shù)學(xué)模型

      王曉明

      【摘 要】所謂雙向DC-DC變換器是一種維持直流電壓極性不變,可以進(jìn)行能量雙向傳遞的變換裝置。由于雙向DC-DC變換器工作在升降壓模式下特性相似,本文建立了升壓模式下的動(dòng)態(tài)模型,并設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制器。

      【關(guān)鍵詞】雙向DC-DC變換器;Boost模式;數(shù)學(xué)模型;PI控制

      0 引言

      隨著人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)與科技的快速發(fā)展,資源匱乏、環(huán)境保護(hù)越來越得到人們重視,各國相繼出臺(tái)了較為嚴(yán)格的能源、環(huán)境保護(hù)政策。采用雙向DC-DC變換器可以大幅減輕系統(tǒng)的體積重量及成本,提升電池的使用效率,在電動(dòng)汽車、電梯運(yùn)行、太陽能發(fā)電儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源(UPS)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,具有重要的研究意義。

      1 拓?fù)溥x擇與數(shù)學(xué)模型建立

      1.1 雙向DC-DC變換器拓?fù)溥x擇

      雙向DC-DC變換器主要分為隔離型和非隔離型兩類拓?fù)?,其主要區(qū)別在于有無變壓器。首先,采用隔離方式的變換器,由于系統(tǒng)中包含電感、變壓器等磁性材料使得整個(gè)變換器體積過大,而且此種電路比較復(fù)雜,元器件較多使得損耗較大,成本較高。所以不予考慮。其次,采用非隔離方式的變換器,其元器件種類和數(shù)量都比較少,電路簡(jiǎn)單易于控制,而且變換器體積較小效率高,因此本文采用非隔離型拓?fù)洹?/p>

      多重化并聯(lián)的變換器能夠提高其工作頻率,使輸出的電壓紋波較小,同時(shí)也可以提高變換器的工作效率。而且該變換器還有著較寬的輸出電壓范圍,從而滿足其充電和放電的基本要求。因此,將多重化并聯(lián)后的變換器應(yīng)用于能量管理系統(tǒng)中將大大提高系統(tǒng)的性能。最后采用兩相交錯(cuò)并聯(lián)雙向DC-DC變換器,如圖1所示。

      1.2 交錯(cuò)并聯(lián)Boost電路建模

      當(dāng)電路工作在Boost模式下,S1,S3導(dǎo)通時(shí),L1、L2的電壓方程(3-1)為:

      vL1(t)=L1=v1(t)

      vL2(t)=L2=v1(t)

      當(dāng)S1、S3斷開時(shí),L1、L2的電壓方程(3-2)為:

      vL1(t)=L1=v1(t)-v2(t)

      vL2(t)=L2=v1(t)-v2(t)

      可以把v1(t)和v2(t)看做連續(xù),并且在一個(gè)周期內(nèi)近似不變,所以可以等效成在Ts內(nèi)的平均值,即v1(t)={v1(t)}、v2(t)={v2(t)}。聯(lián)立(3-1)、(3-2)得L1、L2的電壓(3-3):

      {vL1(t)}={v1(t)}-d'1{v2(t)}

      {vL2(t)}={v1(t)}-d'3{v2(t)}

      式中d'1=1-d1,d'3=1-d3。

      由電感電壓的計(jì)算方程可得(3-4):

      {vL1(t)}=L1

      {vL2(t)}=L2

      將(3-4)代入(3-3)得到式(3-5):

      L1={v1(t)}-d'1{v2(t)}

      L2={v1(t)}-d'3{v2(t)}

      根據(jù)基爾霍夫定律可知(3-6):

      {ic(t)}=C2=d'1{iL1(t)}-d'3{iL2(t)}-

      在變換器在穩(wěn)態(tài)時(shí),假設(shè)D1=d1(t)、D3=d3(t),V1={v1(t)}、V2={v2(t)},IL1={iL1(t)}、IL2={iL2(t)}。

      將上面假設(shè)代入式(3-5)、(3-6)并化簡(jiǎn),在此基礎(chǔ)上可得到小信號(hào)數(shù)學(xué)模型并經(jīng)過一系列公式計(jì)算得到電感電流傳遞函數(shù)和輸出電壓傳遞函數(shù)(3-7)、(3-8):

      Gid(s)=|=

      Gvi(s)=|=

      2 控制器設(shè)計(jì)

      電路工作在Boost模式,為了能夠快速提供功率輸出并保持母線電壓穩(wěn)定,控制是通過電壓電流雙閉環(huán)的方法,直流母線電壓由電壓外環(huán)實(shí)時(shí)檢測(cè),再跟給定恒壓做比較作為電壓外環(huán),穩(wěn)定輸出電壓,同時(shí)將其輸出經(jīng)PI調(diào)制作為電流內(nèi)環(huán)的給定電流??刂瓶驁D如圖2所示。

      3 結(jié)束語

      經(jīng)過PI補(bǔ)償后,變換器輸出電壓的超調(diào)得到了很好的改善,輸出電壓響應(yīng)速度也提高了,穩(wěn)態(tài)誤差也減小了。因此,本文中的雙閉環(huán)控制器的設(shè)計(jì)還是比較合理的,能夠很好的提高變換器的整體性能。endprint

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