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一种三端口变换器的建模与控制系统设计1
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rise_ming
发表于 2013-8-12 21:00
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一种三端口变换器的建模与控制系统设计1
可再生能源
,
控制系统
,
混合动力
,
工作原理
,
控制器
摘要:
分析了一种新型三端口双向DC/DC变换器的工作原理,列写了各工作模态下的状态方程,并在此基础上建立了小信号模型,推导出解耦控制系统的传递函数,用频域法设计了该变换器的闭环控制参数。对所设计控制器的控制性能进行了实验验证。实验结果表明,控制器设计合理,系统能实现输出电压和光伏输入端电压的解耦控制,从而实现各端口的能量流控制。
关键词:
变换器;小信号模型;控制系统
1 引言
在可再生能源发电系统和混合动力汽车中,通常包含多种能源输入形式,利用多端口变换器将多种能源与负载高效地耦合在一起,实现系统内部功率和能量的优化控制,具有重要意义。与常规的多级结构相比,多端口变换结构具有电路拓扑简单,成本较低,功率密度高,效率较高等优点,对于实现系统的集中控制和能量管理有重大作用。
文献提出了一种新型三端口变换器拓扑。该拓扑可在光伏输入端实现最大功率点跟踪,在电池端实现充放电控制。由于光伏组件模块输出电压较低,此处结合光伏发电应用,在文献基础上对该拓扑进行改进,次级改用半桥倍压的形式提高变换器增益,从而降低了变压器变比。此外,该拓扑结合输出滤波器可抑制纹波电流。此处对改进后的拓扑进行小信号建模,推导解耦控制系统的传递函数,设计了相应的控制器。最后基于实际系统进行了实验,验证了控制器的设计。
2 变换器的建模与控制系统设计
2.1 变换器模型建立
图1示出改进后的三端口DC/DC变换器,变压器初级采用3个开关管控制功率流向,次级采用半桥倍压的形式提高变换器增益。通过双向端口的电流流向控制功率的流向来实现能量流动管理。控制光伏端电压Uin使其工作在最大功率点处,负载较小时,电池端充电,储存多余的能量;负载较大时,电池端放电,为变换器提供功率平衡,并实现输出端电压的稳定。
各开关周期中,该三端口变换器拓扑有3个工作模态,其基本开关波形如图2所示。以光伏端电容C2,变压器励磁电感Lm,输出电感Lo和输出电容Co为状态变量,推导变换器各电路阶段的状态方程。在第一阶段,V2导通,变压器初级通以正电压,Lo充电,电流流过Lo。电池端滤波电容的电流等于电池电流、变压器励磁电感电流iLm及次级电流折算值之和。该阶段状态方程为:
在第二阶段,V1导通,变压器初级电压为负,Lo仍在充电,电流流过Lo。变压器初级电压等于输入电压减电池电压,Lo的充电速度也随之变化。第二阶段的状态方程为:
在第三阶段,V3导通,变压器初级电压为零,由于中间支路(V3和VD3通道)的箝位,Lo放电。第三阶段的状态方程为:
此处认为状态变量由一个扰动量叠加在直流分量X上,将3个状态方程组乘以相应占空比,运用均值法,忽略二阶分量后得到小信号方程,系统可用状态空间矩阵形式表示。将小信号方程转换到频域后,系统可用状态空间矩阵形式表示:
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