【《双向DC-DC储能变流器控制器推导探析案例》2200字】

1.41双向DC-DC储能变流器控制器推导分析案例目录TOC\o"1-3"\h\u5217双向DC-DC储能变流器控制器推导分析案例 1115631.1恒流控制模式控制器推导 1168591.2恒压控制模式控制器推导 3112131.3控制器分析及参数设计 4262121.1.1电流内环控制器分析及参数设计 5153701.1.2电压外环控制器分析及参数设计 6本章主要研究了两种控制模式下变流器控制器的数学推导，而后结合电路具体参数对控制器的参数进行了设计，并分析了控制器的稳定性。考虑到双向DC/DC变换器存在着需多开关器件和二极管，是一个非线性系统，要对双向DC/DC变换器进行控制研究，对其的建模与电路原理分析的重要的一环。目前常用的建模方法主要有：状态空间平均法、三端开关器件建模法以及时间平均等效电路模型法三种方法[18]。其中状态控制平均法是目前应用最广泛的建模方法。而本文采用了Middlebrook和Wester最早提出了描述开关变换器电路的平均近似模型的电路平均法，这种建模方法主要依据开关变换器的平均开关特性，得到了基于拓扑的系统低频特性，具有较好的直观性[20]。时间平均等效电路法就是将双向DC/DC变换器分为如图所示的两部分，从电路的结构出发在一个时间周期内对开关网络的的电流电压与开关管的导通占空比D进行模型分析。图3-1.时间平均等效电路法建模1.1恒流控制模式控制器推导图3-2.储能变流器电路原理图图3-1.时间平均等效电路法等效电路利用时间平均等效电路法对图3-1所示储能变流器原理图进行处理，对图3-2所示电路图进行分析，Ui为储能装置电压，Uo’为开关管S2两端电压，Uo为直流母线电压。由基尔霍夫电压定律在环路1中有：（5）而在环路2中，假设给开关管S2一个占空比为D的PWM信号控制S2开断，那么在这个开断的周期T中，S2开通的时间内开关管S2两端电压为:（6）而S2关断的时间内开关管S2两端电压为：（7）那么可以推知，在时间T的周期内，开关管S2两端电压为：（8）联立式（1）和式（4）就可以得到电感的电压：（9）对电感电压通过PI环进行控制可以得到控制方程：（10）而为了得到关于占空比D的控制方程，可以联立式（5）和式（6）：(11)综上，可以得到恒流控制模式关于开关管S2占空比D的控制方程，而由于开关管S1和S2是互补导通，输出的占空比D取反对即可完成对开关管S1的控制。控制器的控制框图如图3-2所示。Iref取正则电感电流从储能变流器向电网流动，储能装置放电，如果Iref取负则直流微网向储能装置充电。图3-1.恒流控制模式控制框图1.2恒压控制模式控制器推导恒压控制模式为电压电流双闭环控制，上文所推导的恒流控制模式即为电流内环，推导得到电压外环后将二者结合即为恒压控制模式。利用时间平均等效电路法对如图3-3所示电路进行分析，Ui为储能装置电压，Uo’为开关管S2两端电压，Uo为直流母线电压，Io直流母线电流，Io’为开关管S1电流，Ic为电容电流。根据基尔霍夫电流定律，在结点②中，电流关系如下：(12)跟恒流控制模式一样，我们假设给开关管S2一个占空比为D的PWM信号控制S2开断，那么在这个周期时间T中，S2开通的时间内，开关管S1处于关断状态，流过S1的电流为：（13）开关管S2关断的时间内，开关管S1处于开通状态，流过S1的电流为：(14)那么可以推知，在时间T的周期内，流过开关管S1的电流为：(15)由式（8）和式（11）可得到电容电流为：（16）对电容电流进行PI控制即可得到控制器方程：（17）联立式（12）和式（13）可得到电压外环的输出IL作为电流内环的给定值ILref：(18)将电压外环和电流内环结合就可以得到恒压控制模式控制器框图3-3：图3-4.恒压控制模式控制器框图1.3控制器分析及参数设计本文是基于dSPACE的半实物控制策略研究，而dSPACE的优点就是可以实时对控制器参数的控制效果进行反馈而且可以实时修改控制器参数进行调整优化，所以在进行理论的控制器推导，对控制电路做一些简化，忽略电感和电容的内阻，使控制器的推导过程更为简单。而对控制器控制参数设计时，要结合实物电路参数，并且计入了电感和电容的内阻，这样使传递函数简化为一阶的方程，可以在不牺牲很大精确度的前提下大大缩减计算工作量，节省时间。1.1.1电流内环控制器分析及参数设计主电路示意图如下，实际电路具体参数见附表1。图3-5.主电路结构图考虑电感和电容的内阻后，电流内环的控制器方程如下：(19)可得到关于电感电流的传递函数：(20)可以看到，当时，传递函数变为：(21)对PI环节的Kp、Ki参数做这样的简化就可以得到电感电流关于kp_I、kI_I、R1、L的时间常数：(22)根据已知的电感参数，可以对时间常数进行预设，而时间常数的选取也要考虑到时间常数要大于电感电流上升的时间。本文所用电感L=3mH,电感内阻R1=0.0003Ω，储能装置电压Ui=100V，电网侧电压Uo=200V，初始电感电流IL=0，给定电感电流为IL=20A。取时间常数，则可求得。而电感电流的上升时间受以下公式制约：（23）可求得电感电流的上升时间为：（24）那么电流内环的参数就被确定下来：，电流内环时间常数。1.1.2电压外环控制器分析及参数设计考虑电容内阻后电压外环的控制方程如下：（25）输出电压Uo的传递函数为：(26)当取值时，可以得到传递函数：(27)此系统简化为一阶的控制系统，可以得到一个输出电压的时间常数关于电容C、电容内阻R2、电压外环比例环节系数kp_u、电压外环积分系数kI_u的计算公式：（28）本文所用电容=400μF,电容内阻R2=20000Ω，储能装置电压Ui=100V，电网侧电压Uo=200V，初始电感电流IL=0，给定输出电压Uo=250V，电流内环时间常数，而设置外环时间常数时要比内环时间常数大得多，大