PEMFC-Boost系統滑模控制策略研究

嚴豪杰，徐 曄，王金全，許 磊

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

PEMFC-Boost系統滑模控制策略研究

嚴豪杰，徐 曄，王金全，許 磊

(解放軍理工大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007)

為實現對PEMFC-Boost變換器非線性行為的有效控制，改善系統輸出性能,依據滑模控制基本原理，設計了PEMFC-Boost變換器系統滑模控制電路。根據所設計的控制電路，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系統仿真相結合，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，研究了系統電壓擾動和負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

質子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrance Fuel Cell, PEMFC)作為微電網中一種典型的分布式電源，具有能量轉化效率高、工作溫度低、對環境污染小等特點，具有很好的發展前景[1-2]。但燃料電池輸出電壓穩定性差，在輸入氫氧濃度、溫度以及負載等發生變化時，其輸出電壓都會產生波動，無法直接對負載供電[3-4]，因此合理地設計PEMFC前級DC/DC變換器的控制策略，對燃料電池穩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]以開關變換器中Buck電路為研究對象，設計了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變換器穩態平衡點的計算 ,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收斂的穩定性。文獻[12]提出了一種基于李導數的自適應任意階滑模控制器，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不確定函數的界，使系統最終完全收斂。以上文獻表明，滑模控制已經逐漸成為開關變換器非線性控制最主要的一種方法。但現有的文獻只是單一地針對具體的開關變換器，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該將分布式電源和變換器結合起來進行研究。

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

1 PEMFC-Boost變換器滑模控制器設計

基于滑模控制后PEMFC-Boost系統拓撲圖如圖1所示。

圖1 基于滑模控制的PEMFC-Boost系統拓撲圖

其中Boost變換器狀態方程可表示為:

(1)

式中，u為開關信號占空比，其應在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變換器系統建模是采用狀態空間平均法，系統中存在電感和電容兩個儲能元件，則系統中總能量可表示為[13]：

(2)

(3)

Boost系統的穩態平衡點為:

(4)

則系統總能量在穩態時是常量，用yd表示:

(5)

因此，可以通過考慮系統的儲能為穩態勢的常量值，進而控制Boost變換器的輸出電壓。

設計系統滑模面S為[14]:

(6)

式中，α>0；p和q均為正奇數，且p>q。

(7)

(8)

2 PEMFC-Boost變換器滑模控制器仿真模型

根據前文推導得出的控制信號，在MATLAB/Simulnk環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

根據設計和搭建的控制電路，在MATLAB/Simulink環境下搭建滑模控制的PEMFC-Boost變換器系統仿真電路，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變換器系統滑模控制效果仿真分析

仿真實驗參數如表1所示[12]。

表1 滑模控制仿真參數

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，系統輸出電壓處于混沌狀態，紋波很大且變化沒有規律性，系統施加滑模控制后，經過大約0.001 s的時間退出混沌狀態穩定運行，系統穩定后紋波非常小(幾乎為零)，因此能夠達到控制混沌的目的，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，系統處于穩態運行后，在t=0.05 s時，PEMFC輸出電壓發生1 V的擾動，系統輸出電壓也發生1 V左右的擾動，但經過控制電路調節后，系統經過約0.002 s的時間很快恢復穩定狀態，可見此系統對輸入電壓的擾動具有很好的魯棒性。

負載產生擾動時，滑模控制對PEMFC-Boost變換器系統輸出電壓的控制效果如圖6所示。

圖6 負載擾動控制效果

由圖6可知，系統處于穩態運行后，在t=0.05 s和0.07 s時，系統所接負載發生±1 Ω的擾動，系統輸出電壓也發生約為±1 V的擾動，但經過控制電路調節后，系統經過約0.003 s的時間很快恢復穩定狀態，可見此系統對負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的PEMFC-Boost變換器系統恢復到穩定狀態，并使系統對電源電壓和負載的擾動都具有很好的魯棒性。

4 結論

本文針對傳統Boost變換器控制方法在PEMFC-Boost變換器系統中輸出穩定性差的特點，設計了PEMFC-Boost系統滑模控制電路，并在MATLAB軟件中搭建了仿真模型，通過仿真研究了系統施加滑模控制策略前后輸出電壓的特性，以及電壓和負載分別發生擾動時，滑模控制對系統輸出的影響特性。研究結果表明：(1)PEMFC-Boost變換器系統運行時，滑模控制策略能夠很好地穩定系統輸出電壓，達到控制混沌的效果。(2)在系統發生電壓或負載擾動時，本文建立的滑模控制策略可以使處于混沌狀態的PEMFC-Boost變換器系統恢復到穩定狀態，并使系統對電源電壓和負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

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

2017-03-26)

嚴豪杰(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：并網逆變器控制技術研究。

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

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