电感寄生电阻对DC-DC变换器电压闭环控制的影响.pdf

云南师范大学学报(自然科学版),2 0 2 4,4 4(2):2 7-3 0 h t t p s:/q k g j.y n n u.e d u.c nJ o u r n a l o fY u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c e sE d i t i o n)D O I:1 0.7 6 9 9/j.y n n u.n s-2 0 2 4-0 1 9电感寄生电阻对D C-D C变换器电压闭环控制的影响*高丰,马逊*,周凯胜,申凯文(云南师范大学 太阳能研究所,云南 昆明6 5 0 5 0 0)摘要:以B o o s t变换器为例,用状态空间平均法推导出D C-D C变换器(包含寄生电阻)的电压开环传递函数,在此基础上构建了变换器的电压闭环传递函数以实现电压闭环控制.使用M a t l a b/S i m u l i n k仿真对比了电感寄生电阻变换器模型与理想变换器模型在电压闭环控制下的动态性能.关键词:D C-D C变换器;电感寄生电阻;电压闭环控制;仿真中图分类号:TM 4 6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 7-9 7 9 3(2 0 2 4)0 2-0 0 2 7-0 41 引言晶硅材料禁带宽度使得常规光伏组件的工作电压约为4 0V,不能满足分布式光伏发电系统并网逆变器输入电压的要求,虽然将多块光伏组件通过串联方式可以得到较高的电压,但容易因其中某块组件的失效导致整个系统无法正常工作1.为了提高光伏组件的输出电压,常规的做法是利用D C-D C变换器将光伏组件端电压升高到直流母线的电压等级,但由于变换器储能元件存在寄生电阻,在这一过程中将使变换器的升压比跌落2.寄生电阻分为电感寄生电阻和电容寄生电阻,变换器中电感寄生电阻使输出电压降低,电容寄生电阻使输出电压更加平滑.在变换器开环电压控制中,控制的输出电压不会反馈回来影响当前控制,使得电感寄生电阻对变换器开环工作时影响较大;变换器工作在电压闭环控制时,根据输出电压的反馈对控制电压进行校正,将会使输出电压稳定在控制值3,但电感寄生电阻对变换器工作在电压闭环控制时的影响还未见研究4.因此本文对B o o s t变换器进行优化,运用状态空间平均法推导出变换器的电压开环传递函数,在此基础上构建了电压闭环传递函数以实现电压闭环控制,通过仿真对比了含有电感寄生电阻模型与理想变换器模型在电压闭环控制下的动态性能,为变换器参数选型以及性能优化提供理论依据.2 D C-D C变换器模型搭建及仿真参数选取2.1 D C-D C变换器模型根据文献5,对传统B o o s t变换器进行了优化,以降低变换器开关管在高频下产生的电压尖峰,最终的变换器模型如图1所示.其中,Vi n为变换器输入电压,Vo u t为变换器的输出电压;R1和R2为电感L1和L2的寄生电阻.图1 电感寄生电阻的变换器仿真模型F i g.1 C o n v e r t e r s i m u l a t i o nm o d e l o f i n d u c t a n c e p a r a s i t i c r e-s i s t a n c e*收稿日期:2 0 2 4-0 1-1 5基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 2 6 7 0 2 0);云南省科技人才与平台计划资助项目(2 0 2 3 0 5 A C 1 6 0 0 8 5);全国大学生创新训练计划资助项目(2 0 2 2 1 0 6 8 1 0 2 1).作者简介:高丰(1 9 9 3-),男,河北石家庄人,硕士研究生,主要从事光伏温室方面研究.通信作者:马逊.E-m a i l:m a x u n y n n u.e d u.c n.2.2 D C-D C变换器仿真参数设置(1)储能电感L1、L2参数电感L1、L2上的电流处于连续状态时,其纹波电流6 iL1=iL2=Vi nDTL1+L2;(1)其中,D为开关管占空比,T为开关管周期.在工程中,要求电感电流的纹波在1 0%以内7,得到 L1+L2D(1-D)V2o u tT0.1Po u t;(2)其中Po u t为变换器输出功率.(2)电容C3参数选取输出电压纹波率小于1%8,得到 C3Po u tDT0.0 1V2o u t.(3)(3)电容C1参数由电感电流的增加量等于电容电流的减少量9,得到 C1 iL1T8 Vi n(1-D);(4)其中,Vi n是输入端的纹波电压,iL1是输入端的纹波电流.由以上公式计算得到变换器仿真参数的范围,选择如表1所示的参数进行了仿真.表1 D C-D C变换器设计参数T a b l e1 D e s i g np a r a m e t e r so fp h o t o v o l t a i cm o d u l e-l e v e lD C-D Cc o n v e r t e r设计参数符号数值输入电压Vi n1 86 0V输出电压Vo u t2 03 0 0V负载电阻Ro u t1 0 0储能电感L13 3 0H储能电感L23 3 0H滤波电容C110 0 0F滤波电容C26 8F滤波电容C310 0 0F开关频率fs w2 0k H z3 变换器的电压闭环控制仿真为了分析出电感寄生电阻对变换器电压闭环控制的影响,需要在电压开环控制的基础上构建电压控制器以实现变换器的电压闭环控制.3.1 电压闭环传递函数构建与伯德图分析由状态空间平均法1 0得到变换器电压的开环传递函数GV D(s)=Ro u t1-D()/(L1+L2)Ro u tC3s2+(R1+R2)Ro u tC3+L1+L2s+Ro u t(1-D2;(5)式中,Ro u t为变换器负载阻值,s为复数变量.代入表1参数得到GV D(s)=1 96.61 0-5s2+0.0 2s+3.6 1.在变换器电压开环控制的基础上构建了电压控制器以实现电压闭环控制,控制框图如图2所示.输出电压Vo u t与参考电压Vr e f经过比较得出误差Ve,经过电压控制器将产生一个控制占空比D的信号,使输出电压趋于参考电压,实现对输出电压的闭环控制图2 D C-D C变换器电压闭环控制F i g.2 V o l t a g ec l o s e d-l o o pc o n t r o l o fD C-D Cc o n v e r t e为了得到变换器电压闭环控制的传递函数,采用齐格勒-尼科尔斯法构建了电压控制器3,传递函数如式(6)所示,经过参数整定,得到控制器的比例系数KP的值为1,积分系数Ki的值为0.5.最后由图2电压闭环控制的动态结构图化简,得到电压闭环控制传递函数如式(7)所示,其中H(s)=1为反馈传递函数.GC(s)=KP+Kis;(6)Gc l o(s)=GC(s)GV D(s)1+GC(s)GV D(s)H(s).(7)代入表1参数得到Gc l o(s)=9.5s+1 96.61 0-5s2+9.5 2s+3 2.6 1.为了判别构建的电压闭环控制是否稳定,对其传递函数式(7)进行了伯德图分析,如图3所示,从伯德图中可以看出,当增益裕度为0d B时,相位裕度大于4 5,因此变换器电压闭环控制可以实现稳定运行.82云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷 图3 电压闭环控制的b o d e图F i g.3 B o d ed i a g r a mo fv o l t a g ec l o s e d-l o o pc o n t r o l3.2 仿真模型搭建与结果分析在仿真平台搭建了变换器在电压闭环控制下的理想模型和电感寄生电阻模型如图4所示.(a)理想模型(b)寄生电阻模型图4 变换器的(a)理想模型和(b)寄生电阻模型F i g.4(a)I d e a lm o d e la n d(b)p a r a s i t i cr e s i s t a n c em o d e lo f c o n v e r t e r设定输入电压3 0V,输出电压1 5 0V.在仿真平台进行了变换器理想模型和寄生电阻模型在电压闭环控制下的对比实验,仿真结果如图5所示.图5 变换器理想模型和寄生电阻模型输出电压对比F i g.5 C o m p a r i s o no fo u t p u tv o l t a g eb e t w e e ni d e a lm o d e la n dp a r a s i t i c r e s i s t a n c em o d e l o f c o n v e r t e r从图5的仿真结果可以看出,在变换器输入电压Vi n相同时,寄生电阻模型的输出电压Vo u t2先于理想模型的输出电压Vo u t10.0 2s达到1 5 0V并稳定在这个电压值,表明将电感寄生电阻考虑到闭环控制的传递函数中,使变换器的动态响应得到了提升.而在寄生电阻模型中由于电感寄生电阻的存在,要想和理想模型升高到相同的电压值,需要使用较大的占空比来弥补输出电压的跌落误差.4 结语对B o o s t变换器结构进行优化,由状态空间平均法推导出D C-D C变换器(包含寄生电阻)的电压开环传递函数,在此基础上构建了变换器的电压闭环控制模型.通过仿真分析了电感寄生电阻对于变换器电压闭环控制的影响,为变换器设计时进行控制优化提供了理论依据.92 第2期 高丰,等:电感寄生电阻对D C-D C变换器电压闭环控制的影响参考文献:1 P A R DH IPK,S HA RMASK.H i g hg a i nn o n i s o l a t e dD Cc o n v e r t e re m p l o y e di ns i n g l e-p h a s eg r i d-t i e ds o l a rp h o t o v o l t a i c s u p p l ys y s t e mJ.I E E E T r a n s a c t i o n so nI n d u s t r yA p p l i c a t i o n s,2 0 2 1,5 7(5):5 1 7 0-5 1 8 2.2 R E Z A I EM,A B B A S IV.A ne f f e c t i v ec o m b i n a t i o no fq u a d r a t i cb o o s tc o n v e r t e r w i t h v o l t a g e m u l t i p l i e rc e l l t o i n c r e a s ev o l t a g eg a i nJ.I E TP o w e rE l e c t r o n-i c s,2 0 2 0,1 3(1 1):2 3 2 2-2 3 3 3.3 R A O VS,K UMA R A V E L S.P e r f o r m a n c ea n a l y s i so fv o l t a g e m u l t i p l i e rc o u p l e d c a s c a d e d b o o s tc o n v e r t e rw i t hs o l a rP Vi n t e g r a t i o nf o rD Cm i c r o g r i da p p l i c a t i o nJ.I E E ET r a n s a c t i o n so n I n d u s t r yA p p l i c a t i o n s,2 0 2 3,5 9(1):1 0 1 3-1 0 2 3.4 苑红,丁新平,王伯荣,等.寄生电阻对D C-D C变换器性能 影 响 的 研 究 J.电 源 学 报,2 0 1 6,1 4(1):8 6-9 4.5 丁杰,高双,赵世伟,等.基于拓扑组合的交错并联耦合电感高增益D C-D C变换器J.中国电机工程学报,2 0 2 1,4 1(5):1 8 6 0-1 8 7 1.6 CHE N M,L IK,HUJ,e ta l.G e n e r a t i o no faf a m i l yo fv e r y h i g h D C g a i n p o w e re l e c t r o n i c sc i r c u i t sb a s e do ns w i t c h e d-c a p a c i t o r-i n d u c t o rc e l l ss t a r t i n gf r o mas i m p l eg r a p hJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nC i r-c u i t sa n dS y s t e m sI:R e g u l a rP a p e r s,2 0 1 6,6 3(1 2):2 3 8 1-2 3 9 2.7 陈月.无电解电容交错并联B o o s t型P F C变换器的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 2 1.8 P URU S HO THAMAN SK,S A T T I ANA D AN D,V I J AYAKUMA R K.N o v e lc o m p a c td e s i g n h i g hg a i nD C-D Cs t e pu pc o n v e r t e r a p p l i c a b l e f o rP Va p-p l i c a t i o n sJ.S u s t a i n a b l eE n e r g yT e c h n o l o g i e sa n dA s s e s s m e n t s,2 0 2 2,5 1:1 0 1 7 2 0.9 HA S S AN W,L U D D-C,X I AO W.S i n g l e-s w i t c hh i g hs t e p-u pD C-D Cc o n v e r t e rw i t hl o wa n ds t e a d ys w i t c hv o l t a g es t r e s sJ.I E E ET r a n s a c t i o n so nI n-d u s t r i a lE l e c t r o n i c s,2 0 1 9,6 6(1 2):9 3 2 6-9 3 3 8.1 0刘郑心,杜玖 玉,于 渤 洋.三 开 关 双B o o s t高 增 益D C/D C变 换 器 研 究 J.电 源 技 术,2 0 2 1,4 5(8):1 0 8 2-1 0 8 6.I n f l u e n c eo fP a r a s i t i cR e s i s t a n c eo f I n d u c t o ro nV o l t a g eC l o s e d-l o o pC o n t r o l o fD C-D CC o n v e r t e rG A OF e n g,M AX u n*,Z H O UK a i s h e n g,S H E NK a i w e n(S o l a rE n e r g yR e s e a r c hI n s t i t u t e,Y u n n a nN o r m a lU n i v e r s i t y,K u n m i n g6 5 0 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:T a k i n g t h eB o o s t c o n v e r t e r a s a ne x a m p l e,t h ev o l t a g eo p e n-l o o p t r a n s f e r f u n c t i o no f t h eD C-D Cc o n v e r t e r(i n c l u d i n gp a r a s i t i cr e s i s t a n c e)i sd e r i v e db yt h es t a t es p a c ea v e r a g i n gm e t h o d.O nt h i sb a s i s,t h ev o l t a g ec l o s e d-l o o pt r a n s f e r f u n c t i o no f t h ec o n v e r t e r i sc o n s t r u c t e d.T h ed y n a m i cp e r f o r m-a n c eo f t h e i n d u c t o rp a r a s i t i cr e s i s t a n c ec o n v e r t e rm o d e l a n dt h e i d e a l c o n v e r t e rm o d e lu n d e rv o l t a g ec l o s e d-l o o pc o n t r o l i sc o m p a r e db yu s i n gM a t l a b/S i m u l i n ks i m u l a t i o n.K e y w o r d s:D C-D Cc o n v e r t e r;I n d u c t a n c ep a r a s i t i c r e s i s t a n c e;V o l t a g ec l o s e d l o o pc o n t r o l;S i m u l a t i o n03云南师范大学学报(自然科学版)第4 4卷