PEMFC-Boost系統(tǒng)滑模控制策略研究

嚴(yán)豪杰，徐 曄，王金全，許 磊

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

PEMFC-Boost系統(tǒng)滑模控制策略研究

嚴(yán)豪杰，徐 曄，王金全，許 磊

(解放軍理工大學(xué) 國防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007)

為實現(xiàn)對PEMFC-Boost變換器非線性行為的有效控制，改善系統(tǒng)輸出性能,依據(jù)滑模控制基本原理，設(shè)計了PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)滑模控制電路。根據(jù)所設(shè)計的控制電路，在MATLAB 軟件中搭建了滑模控制仿真電路，將滑模控制仿真模型與PEMFC-Boost系統(tǒng)仿真相結(jié)合，形成了PEMFC-Boost變換器滑模控制仿真模型。最后，通過仿真對比分析了滑模控制與一般PI控制的控制效果，研究了系統(tǒng)電壓擾動和負(fù)載擾動對滑模控制效果的影響。

PEMFC；Boost變換器；滑模控制

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrance Fuel Cell, PEMFC)作為微電網(wǎng)中一種典型的分布式電源，具有能量轉(zhuǎn)化效率高、工作溫度低、對環(huán)境污染小等特點，具有很好的發(fā)展前景[1-2]。但燃料電池輸出電壓穩(wěn)定性差，在輸入氫氧濃度、溫度以及負(fù)載等發(fā)生變化時，其輸出電壓都會產(chǎn)生波動，無法直接對負(fù)載供電[3-4]，因此合理地設(shè)計PEMFC前級DC/DC變換器的控制策略，對燃料電池穩(wěn)定運行具有重要的意義[5-6]。

目前，已有許多文獻對變換器控制策略進行了研究。文獻[7]以開關(guān)變換器中Buck電路為研究對象，設(shè)計了Buck電路的滑模控制策略。文獻[8]基于一種Super-Twisting高階滑模控制算法,設(shè)計了以TMS320F28035為控制核心的無抖顫、強魯棒滑模電源變換器。文獻[9]通過對Boost變換器穩(wěn)態(tài)平衡點的計算 ,研究了Boost變換器的時變滑模控制方法。文獻[10-11]用齊次性方法闡述任意階滑模控制器有限時間內(nèi)收斂的穩(wěn)定性。文獻[12]提出了一種基于李導(dǎo)數(shù)的自適應(yīng)任意階滑模控制器，并通過仿真驗證了其有效性，但該任意階滑模控制器必須確定系統(tǒng)不確定函數(shù)的界，使系統(tǒng)最終完全收斂。以上文獻表明，滑模控制已經(jīng)逐漸成為開關(guān)變換器非線性控制最主要的一種方法。但現(xiàn)有的文獻只是單一地針對具體的開關(guān)變換器，并沒有考慮到變換器前級分布式電源輸出具有間歇性、隨機性等特點。因此，在研究變換器控制策略時應(yīng)該將分布式電源和變換器結(jié)合起來進行研究。

本文針對PEMFC-Boost系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定性較差的特點，依據(jù)滑模控制原理設(shè)計了PEMFC-Boost系統(tǒng)滑模控制電路。在MATLAB軟件中搭建了系統(tǒng)仿真模型，研究了電壓擾動和負(fù)載擾動對滑模控制策略的影響，通過與傳統(tǒng)控制方法的比較，驗證了本文所設(shè)計控制電路的有效性和穩(wěn)定性。

1 PEMFC-Boost變換器滑模控制器設(shè)計

基于滑模控制后PEMFC-Boost系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 基于滑模控制的PEMFC-Boost系統(tǒng)拓?fù)鋱D

其中Boost變換器狀態(tài)方程可表示為:

(1)

式中，u為開關(guān)信號占空比，其應(yīng)在0～1之間變化，仿真和實驗室有必要對控制器輸出進行限幅。

Boost變換器系統(tǒng)建模是采用狀態(tài)空間平均法，系統(tǒng)中存在電感和電容兩個儲能元件，則系統(tǒng)中總能量可表示為[13]：

(2)

(3)

Boost系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)平衡點為:

(4)

則系統(tǒng)總能量在穩(wěn)態(tài)時是常量，用yd表示:

(5)

因此，可以通過考慮系統(tǒng)的儲能為穩(wěn)態(tài)勢的常量值，進而控制Boost變換器的輸出電壓。

設(shè)計系統(tǒng)滑模面S為[14]:

(6)

式中，α>0；p和q均為正奇數(shù)，且p>q。

(7)

(8)

2 PEMFC-Boost變換器滑模控制器仿真模型

根據(jù)前文推導(dǎo)得出的控制信號，在MATLAB/Simulnk環(huán)境下搭建控制電路仿真電路,如圖2所示。

圖2 滑模控制仿真電路圖

根據(jù)設(shè)計和搭建的控制電路，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建滑模控制的PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)仿真電路，如圖3所示。

圖3 PEMFC-Boost變換器滑模控制仿真電路圖

由圖3可知，控制電路輸入信號為電感電流、電容電壓、Boost變換器輸入電壓(即PEMFC輸出電壓 )以及參考電壓 ，控制實驗組要觀測電壓擾動以及負(fù)載擾動時滑模控制電路對Boost變換器輸出電壓的控制效果。

3 PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)滑模控制效果仿真分析

仿真實驗參數(shù)如表1所示[12]。

表1 滑模控制仿真參數(shù)

通過仿真得到Boost變換器施加滑模控制前后的電壓,如圖4所示。

圖4 滑模控制施加前后輸出電壓效果圖

由圖4可知，在t=0.05 s時，系統(tǒng)施加滑模控制后輸出電壓變化較為明顯。在t<0.05 s時，系統(tǒng)輸出電壓處于混沌狀態(tài)，紋波很大且變化沒有規(guī)律性，系統(tǒng)施加滑模控制后，經(jīng)過大約0.001 s的時間退出混沌狀態(tài)穩(wěn)定運行，系統(tǒng)穩(wěn)定后紋波非常小(幾乎為零)，因此能夠達(dá)到控制混沌的目的，且控制效果較為理想。

電壓擾動時，滑模控制對PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)輸出電壓的控制效果如圖5所示。

圖5 電壓擾動控制效果

由圖5可知，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行后，在t=0.05 s時，PEMFC輸出電壓發(fā)生1 V的擾動，系統(tǒng)輸出電壓也發(fā)生1 V左右的擾動，但經(jīng)過控制電路調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)經(jīng)過約0.002 s的時間很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，可見此系統(tǒng)對輸入電壓的擾動具有很好的魯棒性。

負(fù)載產(chǎn)生擾動時，滑模控制對PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)輸出電壓的控制效果如圖6所示。

圖6 負(fù)載擾動控制效果

由圖6可知，系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)運行后，在t=0.05 s和0.07 s時，系統(tǒng)所接負(fù)載發(fā)生±1 Ω的擾動，系統(tǒng)輸出電壓也發(fā)生約為±1 V的擾動，但經(jīng)過控制電路調(diào)節(jié)后，系統(tǒng)經(jīng)過約0.003 s的時間很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)，可見此系統(tǒng)對負(fù)載的擾動具有很好的魯棒性。

對微小擾動的極端敏感性是混沌系統(tǒng)的一個主要特征，通過仿真實驗可知，所建立的滑模控制策略可以使處于混沌狀態(tài)的PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，并使系統(tǒng)對電源電壓和負(fù)載的擾動都具有很好的魯棒性。

4 結(jié)論

本文針對傳統(tǒng)Boost變換器控制方法在PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)中輸出穩(wěn)定性差的特點，設(shè)計了PEMFC-Boost系統(tǒng)滑模控制電路，并在MATLAB軟件中搭建了仿真模型，通過仿真研究了系統(tǒng)施加滑模控制策略前后輸出電壓的特性，以及電壓和負(fù)載分別發(fā)生擾動時，滑模控制對系統(tǒng)輸出的影響特性。研究結(jié)果表明：(1)PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)運行時，滑模控制策略能夠很好地穩(wěn)定系統(tǒng)輸出電壓，達(dá)到控制混沌的效果。(2)在系統(tǒng)發(fā)生電壓或負(fù)載擾動時，本文建立的滑模控制策略可以使處于混沌狀態(tài)的PEMFC-Boost變換器系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，并使系統(tǒng)對電源電壓和負(fù)載的擾動都具有很好的魯棒性。

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Research on sliding mode control strategy of PEMFC-Boost system

Yan Haojie, Xu Ye, Wang Jinquan, Xu Lei

(National Defense Engineering Institute, PLA University of Science & Technology, Nanjing 210007, China)

In order to realize the effective control of the nonlinear behavior of PEMFC-Boost converter and improve the system output performance, based on the basic principle of sliding mode control, the sliding mode control circuit of PEMFC-Boost converter system is designed. According to the control circuit designed, the sliding mode control simulation circuit is built in MATLAB software. The sliding mode control simulation model is combined with PEMFC-Boost system simulation to form a sliding mode control simulation model of PEMFC-Boost converter. Finally, the control effect of sliding mode control and general PI control is analyzed by simulation, and the influence of system voltage disturbance and load disturbance on sliding mode control effect is studied.

PEMFC; Boost converter; sliding mode control

TM771

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.20.024

嚴(yán)豪杰，徐曄，王金全，等.PEMFC-Boost系統(tǒng)滑模控制策略研究[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(20)：84-86，91.

2017-03-26)

嚴(yán)豪杰(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：并網(wǎng)逆變器控制技術(shù)研究。

徐 曄(1965-)，女，碩士，副教授，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)及智能微電網(wǎng)。

王金全(1963-)，男，博士，教授，主要研究方向：新能源發(fā)電技術(shù)及智能微電網(wǎng)。