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电力系统研究
在电动汽车应用中基于先进滑动模态控制设计的用于超级电容器的四相交错直流升压变换器接口。
关键词：电动车、直流升压变换器、超级电容器、四相交错并联升压变换器。
摘要
电动汽车已经得到电力界越来越多的关注，由于其在应对气候变化中的重要性而变得越来越受欢迎。先进的电力电子变换器仍然是这一领域研究的主要和共同的话题。在本文中，一种先进的滑动模态控制（ASMC）是专为四相交错并联升压变换器（FP-IBC）而设计。所提出的控制器的新颖性依赖于采用传统滑动模态方案的自适应延迟时间块的使用，该时间块基于抖动消除法。新方案成功地降低了输出电压和输入电流的纹波含量，并实现了快速收敛和瞬态响应。在所提出的控制器与自校正超前滞后补偿器（SLLC）之间进行对比实验，在不同的负载条件下，使用超级电容器模块进行比较研究。试验结果表明，FB-IBC动态响应在所提出的控制设计的基础上得到明显改善。
- 介绍
人口的持续增长导致能源和有限资源的消耗加剧，如石油和天然气的消耗。因此，电动汽车（EVs）被视为替代化石燃料的一种选择，尤其是在智能电网中的应用【1-3】。在电动汽车里，燃料电池（FCs）、超级电容器（SCs）、和电池通常作为能量存储设备。结合这些能源就形成了FC/SC/电池混合动力系统（HPS）【4-6】,如图一所示。与单源系统相比，HPS具有提供负载并保持高电能质量、高可靠性和高效率的潜力。
图1. FC/SC/电池混合电源系统的框图。
在电动汽车里，直流升压变换器是连接混合动力系统和电动汽车的直流侧的关键因素。在文献中已经分析和研究不同的直流升压变换器的拓扑结构在电动汽车的应用，如传统升压变换器(BC)、两相交错并联升压变换器（TP-IBC）、多设备的升压变换器（MDBC）、多设备交错并联升压变换器（MD-IBC）和四相交错并联升压变换器（FP-IBC）【7-11】。MD-IBC和FP-IBC比TP-IBC、MDBC和BC更强力更有效率，这从参考文献【11，12】中可以看出。MD-IBC和FP-IBC的高效率是通过将输入电流分裂来实现，大大降低了I2R的损耗和电感的交流损耗【13】。除此之外，与传统的BC、TP-IBC和MDBC相比，他们使用交错理论的输入电流和输出电压纹波减少了。事实上，电压和电流纹波将会导致能量存储设备的寿命的减少，如FCs、SCs以及电池【14-17】。
对于FP-IBC，双极和右半平面（RHP）零点取决于占空比、负载变化和变换器参数。这些因素使控制设计从稳定性和带宽的角度来看更难。
很多控制器被应用于升压变换器来解决这个问题。在几种鲁棒控制方法中，变结构控制（VSC）旨在提供一种大众化的鲁棒策略来处理系统参数不确定性和外部干扰。作为最简单的变结构控制，滑动模态控制（SMC）由于其具有稳定性、对参数的鲁棒性和实施的快速动态反应及简便性等主要优点而受到广泛关注【18，19】。
在参考文献【20】里面，模糊滑动模态控制（SMFC）设计并实现了控制传统升压变换器，并在设计和实验结果方面与PID模糊控制作比较。结果表明，SMFC能够以很少的启动超调量、比PID和PI控制器更稳定的稳态响应来实现更快的瞬态反应。在参考文献【21】中，提出了一种简单和系统的方法来设计实际的SMC，旨在改善受到任何干扰的变换器的输出电压调节。参考文献【22】介绍的SMC具有独立的开关动作和滑动动作的优点，但电感的电流参数函数的计算要求提高了控制器的复杂性。除了上述SMC算法对植物模型的不确定性及其利用不连续分量的规律控制到达滑动面的快速性，这一算法存在着很大的问题，即众所周知的抖动现象和电子电力的纹波【23】。它显示了控制变量的有限的频率震荡，尤其是在电感电流方面。
在本文中，我们为FP-IBC设计了基于一种自适应增益控制法的先进的滑动模态并加以讨论和分析，旨在消除抖动的影响、减少电压和电流纹波。提出的控制规律能够以很少的启动超调量和更稳定的稳态响应来实现更快的瞬态反应。FP-IBC及其控制器在不同的负载条件下使用超级电容器模块来进行试验测试。结果强调，这个控制方案可以成功地在系统动态变化时调整控制器参数。
本文的结构如下。变换器的结构和工作模式在第二节介绍，第三节讨论变换器建模及其控制设计，最后，第四节会用一个合适的SC模块来设计一个试验装置以通过变换器提供负载需求。我们将在不同的负载条件下进行测试，以验证变换器及其控制器的有效性。
2.变换器的结构
图2a所示，变换器由四个直流升压变换器并联连接而成，图2b显示了开关器件在d=0.25时的门信号，其中d为占空比。门信号依次相移TS/（nxm），其中TS为开关周期，n为相数，m为每相并联开关数。对于FP-IBC,m=1,n=4,因此，电源传递的电流在每个相位之间均分并且具有周期为TS/4的纹波含量。同样，输出电压和输入电流的频率是开关频率fsw的n倍。每个阶段之间的电流均分将会提供功率半导体的精确尺寸、模块之间损失的分布、变换器的尺寸优化。此外，通过采用并行相，系统的可靠性和变换器的额定功率也会增加。这些优势让FP-IBC能很好应用于电动汽车动力系统尤其是高功率应用。
3.控制设计
3.1 升压变换器动态模型
图3显示了一个FP-IBC的模块，它由一个直流输入电压源（Vin）、一个控制开关（SW）、一个二极管（D）、滤波电感（L）、滤波电容（C）和负载电阻（R）组成。描述变换器操作的状态空间平均模型【24，25】可以写成：
（1）
其中iL、V0和u分别是感应电流、电压和PWM信号的占空比
图2. (a) FP-IBC 结构. (b) FP-IBC在d=0.25时的开关模式。
图3. FPC-IBC的一个模块的SMC方案
3.2.FP-IBC的滑动模态控制的抖动现象
理想的滑动模态意味着无限的开关控制频率，这是不切实际的。在现实生活中，切换时间和小的时间常数会导致表面附近的动态行为，通常称为抖动。这种现象会导致电力电路中的高纹波和热损失，这降低了元件的寿命。缓解抖动的一种方法是在滑动平面附近引入薄边界层【26-28】。它显示了受控变量的有限频率振荡，特别是电感电流。在能源是燃料电池或超级电容器的汽车应用中，抖动可能对其生命周期产生巨大影响。以下部分将解释抖动现象的主要来源。
如图4所示，通过增加一个新延迟块来控制方案图3中描绘的方案，并使用表1中列出的变换器参数。该延迟用于Simulink平台下的仿真，以说明抖动现象及其对FP-IBC电流和电压的影响。
等式（2）描述实际控制信号在延迟环中与非延迟环相比的公式。
（2）
其中H代表最大延迟，R是卷号的空间，theta;是实际的循环延迟值，ut是在时间t内的控制信号的实际值。图5和图6显示出了基于有和没有延迟的传统SMC（C-SMC）的FP-IBC的动态特性。从图中可以看出，使用等于2 T和0 T的延迟时间，抖动对电感电流和输出电压的影响是很清楚的。结果还表明，延迟控制的动态特性几乎保持与无延迟控制方案相同。
该延迟由经验方法确定，该方法包括测量电感电流（i L）和输出电压（V0）的振荡幅度，然后在仿真图4中调整块延迟值，以便接近实验装置的相同振荡。经过几次测试，我们验证了延迟值是稳定的，非常接近dSPACE串行通信总线产生的延迟【28】。
延迟对纹波幅度具有巨大的影响。为了显示这种效果，赋予不同的延迟值T、2T和4T。 从图7，清楚地注意到添加控制系统的延迟时间的效果，如图 4中的电感电流纹波幅度。
3.3.抖动消除算法
在文献中有三种主要的方法来消除或减少抖动：基于观察者的抖动抑制，频率控制和自适应控制增益方法。第一种方法不是很有效，这是由延迟造成的，而延迟是由循环产生的延迟而不是由循环控制中的测量不确定性造成的。 第二种方法不能为升压变换器提供良好的解决方案，因为控制信号是具有固定频率的PWM信号。实际上，抖动只能在稳态条件下被注意到，并且在趋近模态中是无意义的。在一般观点中，该现象可以恢复到稳定状态下的控制定律的不连续分量。因此，包括滑动表面附近（S（t，X）= 0）的不连续分量的减少在内的的自适应控制增益方法是非常合适的，因为它不影响趋近模态的快速性或其鲁棒性。
图4. 控制方案通过考虑环路延迟来进行抖动说明。
表1
图5. 在C-SMC中有和没有延迟的电感电流。
图6. C-SMC中有和没有延迟时的输出电压。
图7. 具有不同延迟值的电感电流。
控制规则有两部分：连续部分和不连续部分，其中自适应控制增益取，如下：
（3）
其中M严格取正。
考虑到占空比u必须限制在0和1之间（），必须发生以下变换：
其中：
总结使用SMC的抖动消除的控制规律，应该实现以下条件：
（4）
选择M：
SMC因其快速到达滑动表面（跟踪值）而众所周知，其与来自（4）的定律控制u d的不连续分量直接相关。为了确保所提出的解决方案仅在滑动模态下起作用，其中，并且为了保持SMC的简单性，参数M必须符合以下充分条件：
（5）
为了使该解更有效，M必须采用更高的值；换句话说要实现用于ud减小的sigma;的最大可能范围。所以M上的条件是：
（6）
在已知延迟值或扰动和观察测试的情况下，（）由仿真来确定，并且它仅取决于表面参数【29】和循环生成的延迟，其通常是恒定的。
3.3.1.基于抖动消除的仿真结果
图8. 相同延迟值ASMC和C-SMC的输出电压。
本节介绍基于提出基于ASMC算法的FP-IBC的仿真结果。M的值固定为M =2，其中仿真参数在表1中列出。 图8和9清楚地显示了在使用修正（ASMC）或不使用修正（C-SMC）的情况下的两个阶段：趋近模态和滑动模态。在t = 0.2秒干扰系统后，控制试图到达滑动表面，大约15毫秒后系统进入滑动模态。蓝色滑动变量的曲线展示了具有可变增益控制的表面的吸引力和稳定性，并且具有固定增益。图10所示的占空比用于将输入电压从20V升高到40V的输出电压。由于建模不确定性（寄生电阻）的存在，不可能精确地达到滑动表面，而是由于图11所示的吸引力特性而保持在零的附近。
图9. 相同延迟值ASMC和C-SMC的输出电流。
图10.相同延迟值ASMC和C-SMCPWM的占空比（u）。
图11. 相同延迟值ASMC和C-SMCPWM的滑动变量。
结果，所提出的ASMC算法成功地消除了抖动的振荡。此外，动态响应特性：响应时间、超调和静态误差与理想系统中的特性保持一致，这证明了在不影响趋近模态的速度在滑动模态下修正有效。
4.实验结果与讨论
为了评估提出的变换器（FP-IBC）的性能与其提出的控制策略，设计了如图12所示的实验测试台。图1所示测试台的电源电路。图12b所示的试验台的电源电路包括FP-IBC 直流升压变换器、超级电容器模块、直流电子负载和dSPACE 1104。
FP-IBC的参数列于表1中。图12c所示的54V的 Maxwell SC模块（Hy-HEELS）是包含20个单独电容器的独立能量存储装置，其通过母线连接串联在一起以获得90F的电容。每个电容器的额定值为1800F，具有2.7伏的额定电压。该模块不提供商业化，并且它是专门设计以提供高功率密度。每个单独的电容器上的模块温度和电压可以通过固定的的连接器监控。模块外壳由顶部和底部高抗性外壳组成。选择超级电容器模块用来测试控制系统是因为与其它直流源相比，其在充电和放电期间在输入电压和电流方面具有快速变化的优点。SC模块的参数如表2所示。
此外，N3300A-1800W可编程电子负载可用于电流控制操作模式，以在不同的实际负载条件下测试FP-IBC及其控制器。可编程电子负载具有灵活性，可通过快速操作和精确编程来测试宽范围的负载条件。
dSPACE广泛应用于许多工程领域和应用，特别是在电力电子领域。因此，它适合
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