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    • 头条含有右半平面零点的开关DC-DC变换器暂态性能分析及频域法设计
      2021-04-07 作者:皇金锋 李林鸿 等  |  来源:《电工技术学报》  |  点击率:
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      导语含有右半平面零点(RHPZ)的开关DC-DC变换器发生占空比突变时,暂态过程会出现负调现象,该现象会导致系统暂态性能变差,负调持续时间段系统易形成正反馈而出现不稳定现象,传统的频域法无法直接进行控制器设计,因此对其进行控制较最小相位系统困难的多。 陕西理工大学电气工程学院、陕西省工业自动化重点实验室、西安科技大学电气与控制工程学院的研究人员皇金锋、李林鸿、谢锋、张鹏超、刘树林,在2020年第10期《电工技术学报》上撰文,以含有RHPZ的Buck-Boost变换器为例,建立负调电压暂态数学模型,推导出衡量负调电压性能的表达式,依据该表达式与变换器参数之间的关系,给出抑制负调电压的参数设计方法。根据负调电压抑制后的系统暂态性能特点,并结合含有RHPZ开关DC-DC变换器电路拓扑的特点,提出限制占空比和频域法相结合的控制策略。实验结果表明,该控制策略具有良好的暂态和稳态性能。

      近年来,随着能源危机的日益突出,光伏和燃料电池等新能源技术成为当今的研究热点。在这些系统中,需要可以实现升压或降压功能的开关DC-DC变换器,其中,Buck变换器及其衍生拓扑是最小相位系统,而Boost、Buck-Boost、Cuk、Zeta、Sepic及其衍生拓扑都是非最小相位系统,表现为控制变量到输出电压的暂态数学模型含有右半平面零点(Right Half Plane Zero, RHPZ)。

      RHPZ会导致这类变换器在占空比增大(或减小)时,输出电压出现先减小(增大)而后增大(减小)的暂态过程,称为负调现象。负调现象会导致系统暂态过渡过程时间延长,在负调持续的时间段内,控制器会接收到错误的反馈信号而形成正反馈系统,从而导致系统不稳定。正是由于RHPZ的存在,含有RHPZ的开关DC-DC变换器的控制较最小相位系统困难得多,因此,寻求一种简单有效的控制策略成为亟待解决的关键问题。

      很多研究人员对含有RHPZ的开关DC-DC变换器的控制进行了深入研究,目前已有的研究成果主要体现在两个方面:①采用传统的PI、PID等控制器进行控制;②利用非线性控制策略进行控制,包括滑模变结构控制、无源控制、自适应控制、模糊控制等。

      经典控制理论中的频域法设计仅适用于最小相位系统,具有非最小相位特性的开关DC-DC变换器由于RHPZ的存在,导致传统的频域法不能直接应用,进而无法用幅值裕度和相位裕度对设计的控制器效果进行衡量。传统的PI、PID控制器仅根据控制变量的误差,通过动态调节变换器的占空比,实现对输出电压或其他变量的控制,控制效果较差,无法获得良好的暂态和稳态性能。

      由于RHPZ的存在,导致常规的非线性控制策略如滑模变结构、无源控制、自适应控制等都无法直接应用,控制器设计变得复杂。分析含有RHPZ的开关DC-DC变换器暂态数学模型可知,RHPZ与变换器设计参数有关。因此,陕西理工大学电气工程学院等单位的研究人员提出从变换器参数优化设计角度来抑制负调电压,这样就可以在变换器设计阶段有效地完成负调电压抑制,从而提高系统暂态性能。

      研究人员分析了含有RHPZ非隔离式开关DC-DC变换器电路拓扑的共同特征,以含有RHPZ的Buck- Boost变换器为例,建立负调电压暂态数学模型,根据该模型推导出衡量负调电压暂态性能的指标,依据该指标与变换器参数之间的关系,给出了负调电压抑制的参数优化设计方法,根据负调电压抑制的结果提出限制占空比和频域法相结合的控制器设计思路,使得设计的控制器可利用幅值裕度和相位裕度对其控制效果进行衡量,最后对设计的控制器进行了实验验证。

      研究人员得到如下结论:

      1)含有RHPZ的非隔离式开关DC-DC变换器的电源输入端具有相同的电路拓扑特征,考虑到系统运行的安全性,需要限制最大占空比。

      2)含有RHPZ的开关DC-DC变换器通过对参数优化设计可以有效地抑制负调电压,从而提高系统暂态性能。

      3)含有RHPZ的开关DC-DC变换器中,限制最大占空比可以有效抑制由于占空比太大而引起的负调电压现象,同时可以解决由于RHPZ的存在而导致的系统不稳定性现象。

      4)通过对含有RHPZ的开关DC-DC变换器负调电压有效抑制,提高了系统的暂态性能,变换器暂态数学模型可忽略RHPZ,系统近似为最小相位系统,可采用频域法进行控制器设计,从而利用幅值裕度和相位裕度对控制器设计效果进行衡量,克服了控制器设计的盲目性,保证系统具有良好的暂态和稳态性能。提出的负调电压抑制和控制器设计方法对其他含有PHRZ的电力电子变换器设计具有指导意义。

      以上研究成果发表在2020年第10期《电工技术学报》,论文标题为“含有右半平面零点的开关DC-DC变换器暂态性能分析及频域法设计”,作者为皇金锋、李林鸿、谢锋、张鹏超、刘树林。

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