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基于负载扰动前馈的SWISS整流器控制策略论文

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  所提出的控制策略能够有效抑制因负载变化所引起的输出电压的波动。

  关键词:SWISS整流器,PI双闭环控制,前馈控制,PLECS

基于负载扰动前馈的SWISS整流器控制策略论文

  0引言

  随着电动汽车行业的快速发展,对电动汽车充电功率提升的需求日益增大,同时对功率因数校正技术(PFC)提出更高的要求[1]。SWISS整流器作为一种新型三相降压型整流器,具有变换效率高、输出功率大、输入电流谐波含量低、输出电压范围宽、控制简单等特点,使其在电动汽车快速充电、通信基站及数据中心供电拥有广阔的应用前景[2-5]。

  目前SWISS整流器相关研究主要围绕在输入LC滤波器所引起的谐波问题,而在抑制因负载扰动所引起的直流母线电压波动问题上仍有一定不足。文献[6-7]提出SWISS整流器及其控制方式采用PI双闭环的控制策略,该控制策略无需精确的数学模型,且实用性强,控制效果好,但在负载发生变化时输出电压存在较大的超调现象;文献[8]采用数字控制技术实现了对SWISS整流器的双闭环控制,但存在响应速度慢,容易出现输出电压超调现象;文献[9]提出基于PI双闭环的控制策略下,在电压电流反馈回路中加入一阶惯性滤波器,从而抑制负载变化时所引起的超调现象,但在负载变化时仍存在1.25%的电压超调现象。

  针对SWISS整流器在负载变化导致输出电压出现较大幅度超调的问题,本文提出一种基于PI双闭环与负载扰动前馈相结合的控制策略,用于抑制负载变化时所引起的输出电压超调现象。首先利用开关周期平均的等效方式建立其Buck等效电路模型,根据等效电路的平均状态方程推导出SWISS整流器的传递函数,分别设计并计算其电流内环PI控制器、电压外环控制器、负载前馈控制环路的参数。通过将负载量作为控制环路的一个输入变量,通过检测负载变化来抑制输出电压在负载变化时引起的超调现象,从而达到输出母线电压的稳定,并通过PLECS软件仿真验证该控制策略的可行性。仿真结果表明,本文所提出的控制策略能够有效抑制因负载变化引起的输出电压超调,相比于传统的PI双闭环控制控制策略有明显优势。

  1 SWISS整流器的拓扑结构及数学建模

  1.1拓扑结构

  SWISS整流器由三相不可控整流桥、三次谐波电流注入电路及Buck变换电路构成,其拓扑结构如图1所示。三次谐波电流注入电路由3组双向开关管SW1,SW2,SW3组成,每组双向桥臂由两个增强型N沟道MOS管采用共源极接法构成[10]。其工作时以两倍的电源频率(100 Hz)切换该网络的电流通路,为系统提供注入低频电流的通路[10]。三相不可控整流桥由整流二极管D1~D6构成,用于将三相交流电压变换为直流电压[12]。三相不可控整流桥的直流输出侧两端各接一个全控型高速开关管(T+T-),流经T+和T-的电流分别为i T+和iT-,与三相不可控整流桥的输出侧两端电压呈正比例关系[11]。i T+和iT-的差值电流通过三次谐波电流注入电路流入电压绝对值最小的电源相,从而实现输出直流母线电压可调及主动式功率因数校正功能[13]。输入侧滤波电感Linx(x为a、b、c三相)与滤波电容Cinx(x为a、b、c三相)构成输入侧LC滤波器,用于滤除后级开关电路产生的高次谐波。

  1.2数学模型

  SWISS整流器在工作时三相不可控整流桥和三次谐波电流注入电路仅用于整流,在对电路建立数学模型时可以不考虑其影响,因此可利用开关周期平均的等效方式将SWISS整流器电路拓扑等效为一个Buck电路[15-16],等效电路模型如图2所示。开关管S工作在导通与关断两种状态,根据其导通和关断时的状态方程,利用开关周期平均法得到电路的平均状态方程如式(1)所示

  式中:Gid(s)为占空比到电感电流的传递函数;Gvi(s)为电感电流到输出电压的传递函数;Gvd(s)为占空比到输出电压的传递函数。

  2 PI闭环与负载扰动前馈控制器设计

  2.1电流内环设计

  电流环采用PI控制器进行闭环控制,其传递函数GI(s)如式(3)所示。

  考虑实际工程情况,须在采样端加入一阶惯性滤波环节,以降低外部高频干扰对系统的影响,其传递函数Hi(s)如式(4)所示。

  由式(2)可知控制对象由控制到电感电流的传递函数为Gid(s),则电流内环的闭环控制框图如图3所示。电流内环的穿越频率和相位裕度决定了其稳定性和快速性。设电流内环的穿越频率为ω,相角裕度为φi*,则有:

  通过式(5)即可求解出Kpi与Kii的具体参数,其中所需的电路元件等参数如表1所示。

  通过表1参数及式(5)可解得电流内环的Kpi=1.08,Kii=40 808.7,系统在引入电流内环后,其幅频特性与相频特性如图4所示。由图可知,电流内环对低频段信号有较大增益,能够实现无静差调节直流电流。系统对大于穿越频率的信号以-20 dB的速度衰减,能够有效抑制高频信号的干扰,且系统在穿越频率处的相角约为-120°,其相角裕度为60°,系统能够稳定运行,且具有较快的响应速度。

  为实现单位功率因数校正,需要使开关管T+和T-的占空比跟随Upn+与Upn-的变化而变化。本文对三相输入相电压进行采样,并通过最大值最小值比较分别获取Upn+与Upn-,再进行归一化处理,并将结果与电流内环输出信号相乘,即开关管T+和T-的占空比计算公式为:

  2.2电压外环设计

  电压外环主要用于稳定输出电压,其设计是建立在电流内环的基础上,将电流内环的控制器、被控对象和反馈回路视为一个整体,作为电压外环的被控对象。与电流内环的设计思路相同,设电压外环的穿越频率为ω,相角裕度为φu*,则有:

  由于输入电压在整流后存在150 Hz的电压波动,为了防止输入电压的波动对输出电压产生影响,使电压外环在该频率的增益小于-3 dB,即可有效抑制该波动。令电压外环的穿越频率ω=100 Hz,相角裕度φu*90°。通过式(6)可求得Kpu=0.003 13,Kiu=9.82。系统在引入电压外环后,其幅频特性与相频特性如图5所示。有图可知,电压外环具有较高的低频增益,系统稳态特性好,能够实现对直流电压的无静差调节;中频段的幅频特性以-30 dB/dec的斜率下降,在150 Hz处的增益约为-6.8 dB,对输入电压波动有较好的抑制能力;高频段以-60 dB/dec的斜率下降,幅频特性衰减迅速,对高频噪声有很强的抑制能力。

  2.3负载扰动前馈控制

  为了能够有效抑制因负载变化导致输出电压大幅变化所带来的影响,在电流内环的输入端加入负载扰动前馈控制,通过检测输出负载的变化,快速调整电流环设定电流的大小,加快系统对负载扰动的响应速度,从而抑制因负载变化引起的输出电压超调,其控制框图如图6所示。

  通过对输出电压和输出电流进行采样,并对采样信号进行低通滤波处理,其传递函数如下:

  式中:fc为低通滤波器的截止频率。

  通过设置其截止频率小于输出电压及电流的纹波频率,滤除其含有的高频噪声及振荡干扰,通过将实际电压除以实际电流计算出当前的实际负载值,再根据目标电压与实际负载计算出当前目标电流,与电压外环的输出相乘,即可得到电流内环的输入电流参考值Iref(s),通过该方式在负载变化时系统能够及时做出响应调整,能够有效减少系统暂态时间和降低系统超调,使系统更快达到稳定状态。

  3仿真验证

  根据以上系统参数及控制策略,利用PLECS仿真软件搭建系统仿真模型,验证本文所提出的控制策略的可行性,并与采用PI控制器的电压电流双闭环控制策略的响应作对比验证,系统仿真参数如表2所示。

  仿真的负载设置为线性变化,用于模拟电池充电时的功率变化。为验证加入负载扰动前馈算法后系统的动态响应,将仿真分为3个阶段,第一阶段(0~0.1 s):负载设置为32Ω,系统输出功率为5 kW;第二阶段(0.1~0.3 s):负载在0.1 s内由32Ω线性减小至16Ω,系统输出功率达到额定功率10 kW;第三阶段(0.3~0.5 s):负载在0.1s内由16Ω线性增加至32Ω,系统输出功率降至5kW。

  根据图7可以看出,实线波形为负载扰动前馈控制+PI双闭环控制策略的输出响应,虚线波形为仅PI双闭环控制策略的输出响应,两种控制策略在0.04 s时均达到额定输出电压,系统有较小的超调现象,超调电压为1.6 V。

  在第二阶段负载线性减小时,基于负载扰动前馈控制+PI双闭环控制策略的输出电压未出现明显波动,在负载变化起始处约有0.41 V的电压跌落,在负载变化结束处约有1V的电压超调,最大超调量为0.25%,几乎无超调;基于仅PI双闭环控制策略的输出电压随着负载的减小而降低,在负载变化结束处电压降到362 V,最大超调量为9.5%。

  在第三阶段负载线性增大时,基于负载扰动前馈控制+PI双闭环控制策略的输出电压在负载变化起始处约有1V的电压超调,在负载变化结束处约有0.42 V的电压跌落,最大超调量为0.25%;基于仅PI双闭环控制策略的输出电压随负载增大而增大,最大上升至436.8 V,电压超调量为9.2%。

  SWISS整流器在额定功率下基于负载前馈+PI控制策略下的输入侧电压和电流如图8所示。由图可知交流侧A相电压电流波形可以看出,SWISS整流器输入电流近似为标准正弦波,且电流相位能够很好的跟随输入电压相位,通过测量SWISS整流器的功率因数在额定功率下为0.999,系统能够实现功率因数校正功能。

  由图9可知,在额定功率下,输入电流含有一定的高频谐波分量,频率为输入LC滤波器的谐振频率,幅值最大为0.78 A,通过计算输入电流的总谐波失真为4.61%,满足国家相关技术标准。

  4结束语

  本文分析了SWISS整流器的工作原理,并针对传统PI双闭环控制策略在负载变化时所引起的输出电压较大波动的问题,提出了负载扰动前馈控制+PI双闭环相结合的控制策略,并给出了控制环路的设计过程以及控制器参数的计算过程;利用PLECS仿真软件对控制策略进行仿真验证,其结果表明,在负载呈线性变化的条件下,该控制策略能够有效抑制负载变化时输出电压的超调现象,输出电压的超调量最大为0.25%,远小于仅使用PI双闭环控制策略输出电压超调量的9.5%,能够有效抑制负载变化所引起的输出电压波动。并且系统有较好的动态响应与鲁棒性,验证了该控制策略的可行性。

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