基于新型趨近律的船舶微網直流變換器控制策略

古龍瑞, 岑建軍, 張勤進, 郭昊昊

(1.大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026;2.中國鋁業股份有限公司連城分公司, 蘭州 730000)

基于新型趨近律的船舶微網直流變換器控制策略

古龍瑞1, 岑建軍2, 張勤進1, 郭昊昊1

(1.大連海事大學 輪機工程學院, 遼寧 大連 116026;2.中國鋁業股份有限公司連城分公司, 蘭州 730000)

船舶微網中母線電壓的穩定控制、功率負荷分配等問題一直是研究的熱點。針對船舶直流變換器中等速趨近律控制方法趨近時間長、抖振嚴重的問題，提出了一種新型趨近律方法，用于改善系統的趨近狀態和穩定性能。同時，將功率-電壓下垂控制方法和新型趨近律控制器相結合，實現了船舶微網中直流變換器功率合理分配。仿真實驗表明了所提控制策略的有效性。

船舶微電網； 新型趨近律； 直流變換器； 下垂控制； 魯棒性

隨著能源危機和環境污染等問題的加劇，分布式微電網技術的研究取得了豐富成果[1-3]。微電網主要分為交流微電網和直流微電網。與交流微電網相比，直流微電網由于結構簡單、能源利用效率高、控制簡單等特點在船舶領域等得到了廣泛應用[3-5]。

直流微電網系統中，可再生能源輸出的不穩定性會降低了系統動態性能，對供電質量產生較大的影響。目前，針對微電網中直流變換器的控制策略研究已有不少進展[1-12]。文獻[6]中考慮了寄生電阻和電感電流紋波對系統動態性能的影響，基于峰值電流模式控制建立了直流變換器小信號交流模型，保證了系統穩態工作性能。但是，小信號模型無法全面揭示變換器在整個工作區內的穩定信息，在大信號擾動時系統會不穩定。為了尋求精確的控制器設計方案，一些學者將滑模控制引入到直流變換器的控制中。文獻[7]中針對新能源發電中輸入、輸出端存在的大擾動問題，基于Super-Twisting 高階滑模控制算法設計了Buck-Boost變換器的滑模控制器，有效地削弱了傳統滑模固有的抖振現象，提高了系統大擾動時的動態系統。但是，高階滑模控制算法參數較多，設計控制器十分復雜。文獻[8-9]中將滑模控制器應用于直流變換器，獲得了良好的穩定性和魯棒性。上述研究都針對單個直流變換器穩定性策略研究，并未對并聯均流控制策略進行分析。文獻[10-11]中提出了一種基于阻性虛擬阻抗加補償虛擬阻抗的下垂控制策略，用于實現多個直流變換器并聯時功率分配的問題，其中阻性虛擬阻抗實現直流微電網穩態時的功率分配，補償虛擬阻抗提升其動態性能。但是，補償虛擬阻抗并不能完全補償由于下垂特性引起的母線電壓跌落問題。

本文針對船舶直流變換器中等速趨近律控制方法趨近時間長、抖振嚴重的問題，提出了一種新型趨近律，用于提高系統在趨近運動階段的趨近速度以及抑制滑模運動階段的抖振現象，并與等速趨近律進行了對比分析。經分析可知，提出的趨近律趨近時間短，且能有效抑制滑模控制固有的抖振問題。以輸出電壓誤差和電壓誤差變化量作為系統狀態變量，得到直流變換器的動態模型。在此基礎上，基于新型趨近律設計了直流變換器的控制器，并將功率-電壓下垂原理和新型滑模控制器相結合，對直流變換器的并聯均流進行了研究。仿真結果表明了理論分析的正確性。

1 直流變換器數學模型

以船舶直流微電網中常用的Buck變換器(降壓變換器)為例進行詳細分析，其分析過程同樣適用于其他類型直流變換器。

圖1為Buck變換器的拓撲結構圖，它是由輸入電壓Ug、功率開關器件S、二極管D、儲能電感L、濾波電容C以及負載R組成；U0為母線電壓。

圖1 Buck變換器拓撲結構圖

Buck變換器通過功率開關器件S的快速通斷，以維持輸出電壓的穩定。調節功率開關器件S的通斷周期，即可調整輸出電流和電壓的大小。假設負載為阻性負載，以電感電流iL與電容電壓uC為狀態變量，忽略電感和電容的寄生參數，可得Buck變換器的狀態空間方程為

(1)

式中,ui為輸入電壓瞬態值;us為狀態變量,us=1時,功率開關器件S導通；us=0時,功率開關器件S關斷。

2 等速趨近律和新型趨近律的對比

文獻[13]中利用趨近律概念來降低切換函數在滑模面附近的變化率，實現變結構的快速切換，從而有效地抑制了抖振水平。

2.1 等速趨近律趨緊時間與抖振分析

(2)

選擇線性滑模切換面為

s(x)=ax1+x2

(3)

式中，α為滑模面參數。

利用等速趨近律設計Buck變換器滑模控制器，其趨近律為

(4)

式中,k1為常數，表示趨近切換面s時的速率。

通過調整k1可調整趨近速度，當k1增大時，趨近滑模平面的速度越大；減小k1，則趨近滑模平面的速度相應減小。

結合式(2)～(4)，可以得到等速趨近律下控制器的輸出函數為

(5)

由式(5)可知，其包含不連續項k1b-1sgn(s);該不連續項是導致滑模抖振問題的本質原因,且抖振水平與k1直接相關。

通過對式(4)兩邊同時積分可推導出,在等速趨近律作用下趨近滑模切換面所需時間為

(6)

根據式(6)可知，等速趨近律的趨近時間t1可以通過k1進行調節。當k1增大時，則趨近速度增加,系統的趨近時間縮短。然而，由式(5)可知，k1增加，將導致控制器的輸出抖振水平也相應增大。因此，對于等速趨近律而言，趨近速度與抖振水平是相互矛盾的；為了解決這一本質上的矛盾，在等速趨近律的基礎上給出一種新型趨近律。

2.2 新型趨近律的提出與分析

本文提出的新型趨近律的具體形式為

(7)

式中,k>0;0<ε<1;η>1;δ>0;x1為系統狀態變量;eq(·)為函數。

對式(7)進行整理，有

-ksgn(s)

(8)

對式(8)兩邊從0～t進行積分，則該新型趨近律趨近滑模切換面所需要的時間為

(9)

t<ε|s(0)|/k

(10)

式(10)為新型趨近律趨近滑模切換面需要的時間。假設兩種趨近律的參數相同，即k=k1，將式(6)和不等式(10)比較可知：

(11)

簡化后可得：

(12)

由于

|s(0)|/k>0， 0<ε<1

即ε-1<0，故t-t1<0。因此,可得到如下結論：當兩種趨近律參數相同，即k=k1時，新型趨近律的趨近速度快于等速趨近律。

另外，當選取的兩種趨近律算法的趨緊時間相同時，即t=t1時，可以得到

(13)

由不等式(13)可知，提出的新型趨近律滑模增益要小于等速趨近律滑模增益。因此，新型趨近律和等速趨近律在相同的趨近速度下，相對等速趨近律而言，新型趨近律可以有效減小滑模的抖振問題。

3 并聯均流控制策略研究

3.1 下垂法原理

圖2給出了2個直流變換器并聯的簡化系統模型。

圖2 并聯系統的簡化模型

圖中，Ur1、Ur2為變換器的實際輸出電壓；Id1、Id2為輸出電流；Rd1、Rd2為虛擬阻抗；Rl1、Rl2為線路阻抗；Rload為負載；Uload為負載電壓。由圖可知，每個直流變換器的實際輸出電壓為

(14)

通過調節變換器的阻抗系數調整變換器的外特性曲線，來實現各個模塊的均流。

3.2 直流微電網系統控制策略

下垂原理通過調整輸出電壓的給定值來實現母線電壓的穩定和負荷分配[11]。滑模控制則基于誤差(電壓給定值和實際電壓的誤差)和誤差的積分作為系統輸入，本文將下垂控制得到的值作為滑模控制的誤差給定，對直流變換器的并聯均流進行控制，圖3給出了直流微網的控制框圖。

本文采用下垂控制方法的變換器是在滑模控制基礎上增加電流反饋環節得到的，因此,下垂控制器參數設計時應先確保滑模控制器的穩定性。為了確保新型趨近律的穩定性，選取Lyapunov函數V=s2/2進行驗證。根據Lyapunov穩定性理論可知，當

(15)

成立,即可保證新型趨近律穩定性。

由式(7)可得

(16)

式中,eq(x1,s)>0，故

(17)

圖3 直流微電網控制框圖

式(17)表明所提出的新型趨近律可以滿足滑模到達條件，能夠保證系統穩定性。

4 仿真分析

為了驗證算法的有效性，建立了單個直流變換器和2個變換器并聯運行的MATLAB仿真模型，仿真部分參數如表1所示。

表1 仿真參數

圖4給出了直流變換器獨立運行時新型趨近律和等速趨近律的輸出電壓、輸出電流。由圖可知，新型趨近律在啟動時間、負載擾動時的性能都明顯優越于等速趨近律，Buck變換器的穩定性、動態性能以及魯棒性明顯提升。

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流

圖5給出了直流變換器并聯運行時2個Buck變換器的輸出電流和直流母線電壓。

(a) 輸出電壓

(b) 輸出電流

由圖5可見,母線電壓能夠穩定在給定值，且在20 ms負載大幅度變化時,控制策略能夠對功率進行快速地重新分配，保證了系統的動態響應速度以及系統的穩定性。

5 結 語

本文對傳統等速趨近律趨近時間、抖振問題進行了分析，提出了一種可以有效抑制抖振并且提高系統趨近速度的新型趨近律。利用該趨近律對直流變換器的控制系統進行了設計，同時，結合下垂控制原理，對直流變換器并聯運行實驗。通過仿真結果可知，本文提出的算法具有良好的穩定性和魯棒性。

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Control of DC Converter in Ship’s Micro-grid Based on a New Approach Law

GULongrui1,CHENJianjun2,ZHANGQinjin1,GUOHaohao1

(1. Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. Lianchen Branch of CHALCO, Lanzhou 730000, China)

Control of bus voltage stability and load power allocation is a hot research topic. With constant speed approach controlling, time for approach is long, and chattering is serious in a ship DC converter. To solve the problem, this paper proposes an approaching law aiming to improve the approaching state and make the system performance stable. By combining the theory of power-voltage droop control with a sliding mode controller, a parallel current sharing technique in the DC micro-grid is implemented. Simulation experiments show effectiveness of the proposed method.

ship’s micro-grid; approaching law; DC converter; droop control; robustness

2017 -01 -10

古龍瑞(1990-)，男，碩士生，主要研究方向為船舶直流微電網，E-mail：gulong28@dlmu.edu.cn

2095 - 0020(2017)01 -0022 - 05

U 665.12

A