【自动化】动态演化控制的燃料电池用buck变换器仿真

动态演化控制的燃料电池用BUCK变换器仿真黄宬，黄亮（武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070）摘要燃料电池因其效率高，环境污染小以及可扩展使用等特点，被广泛应用于移动式或分布式发电领域。针对燃料电池动态响应能力很差，易受电流纹波影响的问题，设计出以基本BUCK电路为基础的两相交错并联同步BUCK变换器，来改善燃料电池的输出特性，减小电流纹波的大小并提高变换器的工作效率。在此基础上，重点论述了使用一种新型控制策略动态演化控制对两相交错并联同步BUCK变换器进行闭环控制仿真。在MATLABSIMULINK仿真环境下，验证了在动态演化控制下的交错并联同步BUCK变换器具备良好的动态特性，同时与传统的PI控制进行了仿真对比，说明了动态演化控制使变换器响应迅速并具备良好的抗干扰性，比传统的PI控制策略更为优越。关键词燃料电池，交错并联同步BUCK变换器，MATLABSIMULINK，动态演化控制中图分类号TP3919文献标识码ASIMULATIONOFDYNAMICEVOLUTIONCONTROLFORFUELCELLBUCKCONVERTERHUANGCHENG，HUANGLIANG（COLLEGEOFAUTOMATION，WUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGY,WUHAN430070，CHINA）ABSTRACTAIMINGATREALIZINGTHECOORDINATIONCONTROLOFGAITREHABILITATIONTRAININGROBOT,THECOORDINATIONCONTROLOFEXOSKELETONLEGWITHTREADMILLANDTHECOORDINATIONCONTROLOFBODYWEIGHTSUPPORTSYSTEMWITHEXOSKELETONLEGSWERERESEARCHED,ANDTHECOORDINATIONCONTROLMETHODWASPROPOSEDATLASTTHECOORDINATIONCONTROLEFFECTAMONGEXOSKELETONLEGS,TREADMILLANDBODYWEIGHTSUPPORTSYSTEMWASPROVEDBYUSINGDUMMYFOREXPERIMENTSTHEEXPERIMENTALRESULTSHOWSTHATTHEGAITTRAININGREHABILITATIONROBOTCANREALIZEGOODPARTIALBODYWEIGHTSUPPORTEDGAITTRAININGFORDUMMY,WHICHDEMONSTRATESAGOODCOORDINATIONCONTROLEFFECTAMONGEXOSKELETONLEGS,TREADMILLANDBODYWEIGHTSUPPORTSYSTEM,ANDLAYSTHEGOODFOUNDATIONFORFURTHEREXPERIMENTWITHREALPATIENTSKEYWORDSFUELCELL；INTERLEAVEDSYNCHRONOUSBUCKCONVERTER；MATLABSIMULINK；DYNAMICEVOLUTIONCONTROL0前言在众多新型能源中，燃料电池（FUELCELL，FC）的发展和应用格外引人关注。燃料电池不会受到外界环境的影响，只要能持续不断地给燃料电池提供燃料，燃料电池就能不断的把燃料中的化学能转化为电能输出。因此，燃料电池被视为理想的新型能源。但是受到其内部电化学反应速率的影响，燃料电池的动态响应能力很差，单体燃料电池的输出电压很低，不能承受反向电流等等。通过合理的设计大功率的DC/DC变换器就可以解决燃料电池输出特性偏软的问题。本文设计的两相交错交错并联同步BUCK拓扑结构，不仅可以有效地提高电流输出能力以及系统工作效率，还可以降低输出电流纹波。同时，多个BUCK电路并联的结构也使每一相所需要的电感值更小，电感的体积和高度也会相应的减小，可以实现轻薄设计。文章还重点论述了一种新型控制理论动态演化控制并将其应用于所设计的BUCK变换器控制当中。该方法无需对变换器模型进行任何简化或线性化处理，并充分利用了系统的非线性和时变性，构造出了一个比传统PI控制更优越的BUCK电路控制器。基于动态演化控制的交错并联同步BUCK变换器性能测试是在MATLABSIMULINK仿真环境下完成的。除了验证动态演化控制器的可行性以及可操作性，还通过与传统的PI控制器的仿真比较，说明了新型控制策略拥有更为快速的瞬时响应和良好的抗干扰性，比传统的PID控制策略更为优越。1燃料电池11燃料电池的典型电气特性燃料电池和蓄电池一样，都有两个电极（阳极和阴极）并输出直流电压。然而燃料电池的优势在于，只要燃料的供应不断，那么燃料电池就能源源不断的输出电能。可是，燃料电池的输出电流越大，则其两端的输出电压就会越低。造成其电压下降的主要原因就是存在活化损耗、欧姆损耗和浓度损耗这三种损耗。以质子交换膜燃料电池（PEMFC）为例。当电路回路中电流很小时，电压下降的主要原因是活化损耗。根据电极动力学原理，氧气与氢气的电化学反应非常缓慢，从而导致电压降的产生，我们将这种现象称为活化损耗。活化损耗会造成很大的非线性电压下降，如图1所示。图1工作温度为40的PEMFCVI曲线欧姆损耗则源于电子在电解质和电极之间的流动。理论上来说，电解质应该只允许离子通过，但是一小部分的燃料还是会通过扩散作用穿过电解质。跟非线性的活化损失不同，欧姆损耗本质上是线性的，并且与电流大小有直接的比例关系。浓度损耗是电极附近不能维持燃料的初始浓度所产生的。反应物在电极处被消耗，电极处燃料的浓度会根据反应物的反应速率和运动速率而下降。在电流很大的时候这种损耗所起的作用尤为严重。除了跟这些损耗有关，燃料电池所处的工作温度也会影响燃料电池的的VI特性。12燃料电池系统由于燃料电池不能承受反相电流的存在。为了阻碍电流流入燃料电池，就需要使用一个二极管DFC与燃料电池进行串联，如图2所示。但在有能量回馈的情形下中，我们又希望有反向电流的出现，那么我们还需要用电容CDC来吸收反向电流。设计者一定要注意容值的选择，要确保这个系统在整个工作过程中，该电容不会过充。图2燃料电池应用情境如果单体燃料电池堆的输出不能满足期望的输出电压指标，最简单的方式就是将单体燃料电池堆再次串联后进行使用。这种方式就是直接把所有的单体燃料电池串联起来，这个结构整体的输出与电力变换器相接。在每相邻两个单体燃料电池堆之间都会再串联一个抑制反向电流的二极管。在此结构中，DCDC变换器的作用也不再是提升电压等级，而仅仅是要对燃料电池组的输出电压和电流进行管控。这种结构是所有拓扑结构中最简单的也最常使用的一种，而后文所述的BUCK变换器也是基于这种应用环境下进行设计。但是必须指出，燃料电池串联的结构有个很大的缺陷，就是若串联结构燃料电池组中有任意一个单体电池损坏，则整个电路回路呈开路的状态，系统就会完全停止工作。2BUCK变换器主电路拓扑设计的两相交错并联同步BUCK变换器拓扑结构如图3所示。从电路结构上看，它是由2个基本同步BUCK变换器并联而成，从控制上来说，各路同步BUCK变换器开关管控制信号频率相同，相位上交错个电角度，即半个周期。此外，每条支路的BUCK变换器的上下管处在互补工作状态，这样减小了导通电阻，提高了效率。每个同步BUCK变换器上所流过的电流仅是整个电路总电流的1/2，加之驱动控制信号的相位交错，使得输出电流纹波在开关管的开关频率没有改变的情况下就提高了其频率，从而减小了输出电流纹波峰峰值，也大大减小输出滤波器尺寸，提高了变换器动态响应速度，降低了开关损耗。图3两相交错并联同步BUCK变换器理论上两路电感值应完全相等，即L1L2L。在后面的讨论中，我们设开关周期为T，导通时间为，则各支路开关频率，占空比为ONTF/DTON/T。3动态演化控制器设计动态演化控制（DYNAMICEVOLUTIONCONTROL，DEC），是根据控制理论的基本概念，基于反馈控制的理念衍生而来。动态演化控制的基本观点就是强制偏差随着时间的增长，按照指定的路径趋向于零，这条指定的路径称之为“演化路径”。在动态演化控制下，系统的动态特性会跟随演化路径进行演化。DEC控制器的设计步骤归纳如下1）演化路径的选择2）动态演化方程式3）变换器系统分析4）DEC占空比公式5）构造PWM发生器31演化路径的选择DEC控制器设计的第一步是要确定演化路径，以确保系统的偏差按照特定的方式或速率减小到零。演化路径主要由分段线性曲线和指数曲线两种，我们选用指数函数的演化路径，如图6所示。该路径的系统动态特征曲线表达式为（3）MTOEY其中Y是系统的动态特征参数值，为Y的O初始值，M为一设计参数，该值设定的大小将会影响演化速度的快慢。图6指数演化路径32动态演化方程根据公式（3）对Y微分，有（4）MTOEDT（5）T经过整理，控制器的动态演化方程可以写成（6）0,YDT33变换器系统分析实际上，两相交错并联BUCK变换器像两个BUCK变换器并联工作，则对占空比的分析可以在一个正常的同步BUCK变换器上完成。根据状态空间平均法，同步BUCK变换器的稳态方程可描述为（7）TVTVDTILGO其中L为电感感值，是输入电压，是电感电流，是输出电压，为占TITVOT空比。对该式进行整理，就可以得到输出电压的表达公式（8）DTILTVTVGO34DEC占空比公式要推导出占空比公式，首先要先定义状态误差函数（Y）的性质。在电力电子领域中，可选择误差电压或误差电流方程作为Y。我们假定Y是关于输出电压误差的线性函数，表示为（9）TVKER其中是正比例系数，为误差电压，KR（10）OREFVV为输出电压基准目标值。对（9）式求微REFV分，有（11）DTVKTYER将（9）和（11）代入（6），可得（12）0ERERVMT将式（8）和（12）左右两边直接相加，得（13）DTILKDTVGOERER为求解，对式（13）进行整理，得到占空比公式为（14）GLOERERVTIKMT这就是BUCK变换器的动态演化控制律，依据此公式对占空比进行控制，就能实现对两相交错并联同步BUCK电路的动态演化控制。上式满足动态演化方程（6），并会强制状态偏差方程（Y）按照等式（3）进行演化，并以M的减小速率一直减小到0（Y0）。此时，状态偏差方程（Y）满足等式（15）0ERVKY因此变换器的状态偏差也将会收敛于零。（16）ER将式（16）代入式（10），我们可以看到变换器的输出电压收敛于变换器的稳态（17）REFOVV从这个推导过程可以很明显的看出，动态演化控制器可以在非线性系统的整个范围内工作，并不需要对系统模型做任何线性化或简化处理。然而这些却是经典控制理论应用所必需的操作。再次整理占空比等式（14），可以得到（18）DTIVLTKVMVGERGERGREF1有趣的是，我们可以注意到（18）式的控制律是由四个独立的部分组成。第一部分可称之为反馈项，它是基于前一时刻采样值计算而来。GREFV第二和第三项分别是由输出电压扰动的比例项和衍生项。最后一项是电感电流的衍生项。从（18）式还可以看出，系统的输入电压、输出电压和电感电流都参与了控制过程。动态演化控制的这种特性使得它可以补偿输入输出电压的所有变化，也可以补偿电感电流的变化，有助于控制系统具有更好的动态特性。35PWM占空比发生器由于交错并联同步BUCK变换器需要两路PWM信号来驱动两组开关，那就需要从单一的PWM发生器中生成两组互补交错的PWM信号。图7所示为PWM信号产生的方法。当控制信号VST大于V1时产生第一路的上管PWM信号，当控制信号V2大于VST时产生第二相上管的PWM信号。相应的下管PWM信号可由相应的上管PWM信号取反得到。理想的电平控制信号值可从占空比公式（18）计算而得。控制信号V1和V2的值通过式（19）、（20）给出，PWM信号则由（21）式产生（19）1V（20）STV2（21）STVPWM21其中VST为三角波信号，为VST的峰值。T图7PWM发生器4MATLABSIMULINK仿真结果MATLABSIMULINK仿真环境中有一个专门的模块元件库SIMPOWERSYSTEM，它提供了电力电子仿真所需要的元件模型。用户可根据使用该元件库下的元件模块按照实际设计的电路进行建模，构造仿真模型。最后构建的电路仿真模型与实际电路大体一致。在SIMULINK仿真平台上构建DEC控制的两向交错并联同步BUCK变换器仿真模型，模型参数如下表所示。表1仿真模型参数参数指标开关频率40KHZ标准输入电压72V基准输出电压48V电感L1L260UH输出电容C120UF初始负载（R1）2附加负载（R2）2结合上述的参数指标以及前文对电路元件参数的设计，构造出来的基于动态演化控制的两相交错同步BUCK变换器仿真模型结构如下图8所示。图8两相交错并联同步BUCK变换器仿真模型41控制器性能测试411恒定输入负载突变情况下的仿真为检测上述控制器性能，设计了分别在恒定输入电压和可变输入电压下，负载阶跃变化时的仿真实验。参考输出电压设定为72V，负载要求每20MS在2和1（两电阻并联）突变。设定控制器参数K1，M22000。这里考虑负载从一个负载电阻值突变到另一个负载电阻值的情形。这特别有意义，因为这是电力电子应用经常遇到的典型问题，在该领域中电力供应能对负载的突然变化进行快速响应及补偿。图9是在恒定的输入电压下，负载发生突变的仿真结果。输入恒定设置为72V，每20MS发生一次负载突变，负载电阻由2变到1或者由1变到2。由该图可以看出，相应的负载电流会在24A和48A这两个值间变动。在负载突加的瞬间，输出电压会有约4V左右的下降，但是通过动态演化的闭环控制，系统在02MS内就能补偿使输出维持在48V。根据这个仿真结果，我们可以说，在72V基准稳态电压输入下，控制器完成了控制变换器输出电压的任务。图9恒定输入负载突变下的仿真波形412变动输入负载突变情况下的仿真图10为在输入电压变化的情况下，负载突变时的仿真结果。将输入电压源设定为可变电压，即在72V直流电压上叠加了一个100HZ，5V的交流电压纹波。应用同样的干扰设置，每隔20MS发生一次负载突变（突增或突减）。结果，输出的负载电流仍然在24A和48A两个值之间突变。在负载突加的瞬间，输出电压会有约4V的下降，但系统能在02MS内完全消除该压降。所得到的结果与上一小节所示结果是一样的，这就表明了动态演化控制器完全消除了输入电压纹波对输出的干扰。显然，上述控制器具备良好的抗干扰性能和快速响应能力，其表现令人满意。图10变化输入负载突变下的仿真波形42控制器性能比较当前，在众多控制策略中，PI控制在电力电子中运用的最为广泛。为了进一步说明动态演化控制器的优越性，我们又设计了一个基于PI控制的交错并联同步BUCK变换器的仿真实验进行对比。模型参数和试验参数基本上与41的设定完全一致，图10和11为PI控制器的控制性能波形。421负载调节性能经过湊试，我们选定比例系数P12，I120。每隔20MS进行突加减载，最终得到下图11所示的仿真波形。与负载变化相一致，相应的负载电流会在24A和48A这两个值间变动。在负载突加的瞬间，输出电压会有约5V左右的下降，基于PI控制的系统在1MS才能使输出重新维持在48V，并且稳定后的输出电压一直会有500MV的上下波动。跟动态演化控制相比，在72V基准稳态电压输入下，显然动态演化控制比PI控制的输出动态响应特性和输出质量高。图11恒定输入负载突变下的PI控制仿真波形422输入调节性能依然给恒定的72V输入叠加一个100HZ，5V的交流电压纹波，负载变化条件不变，仿真得到的波形如图12所示。跟动态演化控制相比，此时PI控制对于来自输入端的干扰纹波显得无能为力。虽然负载电流仍然在24A和48A两个大约值之间突变，但明显不够稳定。在负载突加的瞬间，输出电压会有将近6V的下降，需要2MS才能完全消除该压降。该波形结果说明在输入有干扰影响时，PI控制器的控制性能大打折扣，从而进一步说明了动态演化控制器的优越性。图11变化输入负载突变下的PI控制仿真波形5结束语本文对燃料电池的原理和应用进行了综述，描述了所要使用的燃料电池结构模型。详细论述了两相交错同步BUCK变换器的工作原理以及参数计算方法。在上述硬件电路基础上，描述了一种新型控制技术动态演化控制技术的原理和动态演化控制器的设计步骤，在SIMULINK仿真平台上构造了两相交错并联驱动的动态演化控制器，并成功的在同步BUCKDCDC变换器控制器上实现。在负载突变和输入电压突变的条件下，对动态演化控制的性能进行测试，并与传统的PI控制器进行了比较。由仿真结果得出，文中论述的动态演化控制器因有更好的抗干扰性能以及更快的响应能力，而胜过传统的PI控制器。该控制器在负载变化和输入变化下鲁棒性好。通过与传统PID控制器进行比较，动态演化控制器的优点有动态演化控制只需对一个参数M进行调整，不像PID需要调整2个或3个参数。对输入和输出电压的变化具有很好的动态响应。快速响应能力和稳定性好。但是从理论分析上来讲，动态演化控制的缺点在于其占空比计算式有一个除法项，这使得动态演化控制难以用模拟电路的形式实现。参考文献REFERENCES1陈亚爱,李卫海同步BUCK变换器控制技术综述J冶金电气,2010,29832362古云蛟,朱新坚,邵孟,等通讯基站大功率PEMFC备用电源DC/DC变换器的设计与应用J微型电脑应用,2013,294143陈敬生,王兴杰燃料电池在通信行业大有可为J华为技术,2011,125837384赖联有两相交错并联同步BUCK变换器的设计与仿真J电源技术,2012,1368116212125李冬,张相军交错并联BUCK变换器设计及仿真分析J电气传动,2013S179816王蕊,杨玉岗,李娜交错并联BUCK变换器本质安全的研究J电力电子技术,2011,4571171207刘郑辉,席自强基于BUCK电路的开关电源纹波的计算和抑制J湖北工业大学学报,2007,22522248司徒琴,姜建国,佘炎基于ADP3181的交错并联同步BUCK电路的设计J电子技术应用，2007121451519YANGQIU,MINGXU,KAIWEIYAO,ETALTHEMULTIFREQUENCYSMALLSIGNALMODELFORBUCKANDMULTIPHASEINTERLEAVINGBUCKCONVERTERSCAPPLIEDPOWERELECTRONICSCONFERENCEANDEXPOSITION,2005APEC2005TWENTIETHANNUALIEEE,2005139239810MOHAMEDASHRU,AMARBONSBAINE,AHMEDSASHUR,ETALMODELINGANDSIMULATIONOFAUTOMOTIVEINTERLEAVEDBUCKCONVERTERCUNIVERSITIESPOWERENGINEERINGCONFERENCEUPEC,2009PROCEEDINGSOFTHE44THINTERNATIONAL,20091511ISEFA,FBATTAL,ANDSBALCIMODELINGANDIMPLEMENTATIONOFDSPICBASEDINTERLEAVEDBUCKCONVERTERCPOWERENGINEERING,ENERGYANDELECTRICALDRIVESPOWERENG,2013FOURTHINTERNATIONALCONFERENCEON,20131652165712MHARINEE，VSNAGARAJAN，DIMPLE，MSRSEYEZHAI，ANDDRBLMATHURMODELINGANDDESIGNOFFUELCELLBASEDTWOPHASEINTERLEAVEDBOOSTCONVERTERCELECTRICALENERGYSYSTEMSICEES,20111STINTERNATIONALCONFERENCEON，2011727713朱春华，王建国MATLAB/SIMULINK在DCDC变换器仿真中的应用J现代电子技术，200818232514ANDRESSACSCHITTLER，DOUGLASPAPPIS，ALEXANDRECAMPOS，MARCOADALLACOSTA，ANDJMARCOSALONSOINTERLEAVEDBUCKCONVERTERAPPLIEDTOHIGHPOWERHIDLAMPSSUPPLYINGDESIGN,MODELINGANDCONTROLCINDUSTRYAPPLICATIONSSOCIETYANNUALMEETINGIAS,2011IEEE，20111715ASSAMOSIR，ANDAHMYATIMIMPLEMENTATIONOFNEWCONTROLMETHODBASEDONDYNAMICEVOLUTIONCONTROLWITHLINEAREVOLUTIONPATHFORBOOSTDCDCCONVERTERCPOWERANDENERGYCONFERENCE,2008PECON2008IEEE2NDINTERNATIONAL，200821321816AHMADSAUDISAMOSIR，ANDABDULHALIMMOHAMEDYATIMIMPLEMENTATIONOFDYNAMICEVOLUTIONCONTROLOFBIDIRECTIONALDCDCCONVERTERFORINTERFACINGULTRACAPACITORENERGYSTORAGETOFUELCELLSYSTEMJIEEETRANSACTIONSONINDUSTRIALELECTRONICS，2010,57103468347317XYU，MRSTARKE，LMTOLBERT，ANDBOZPINECIFUELCELLPOWERCONDITIONINGFORELECTRICPOWERAPPLICATIONSASUMMARYJELECTRICPOWERAPPLICATIONS,IET，2007,1564365618VSANCHEZ，FCHA