魏巖+沈愛弟+高迪駒

摘要：

為提高船舶混合動力系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器的性能，通過分析混合動力系統(tǒng)工作模式，設計出船舶混合動力系統(tǒng)雙向DC/DC變換器仿真模型.基于此，提出該變換器模糊PID控制方法.采用單個模糊PID補償環(huán)節(jié)實現(xiàn)了BiBuck/BoostDC/DC變換器的穩(wěn)定輸出.仿真結果表明：模糊PID控制能有效提高系統(tǒng)抗干擾能力，保證雙向DC/DC變換器具有良好的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能.

關鍵詞：

混合動力船舶；雙向DC/DC；模糊PID

中圖分類號：U665.13

文獻標志碼：A 收稿日期：20150825 修回日期：20151113

0引言

與傳統(tǒng)的機械推進系統(tǒng)相比，電力推進系統(tǒng)具有更好的經(jīng)濟性、操縱性和安全性，且它的噪音低，并有利于船舶控制環(huán)境污染.[12]然而，受到船舶對設備質量和體積的限制以及新能源存儲技術的影響，與傳統(tǒng)的柴油機推進系統(tǒng)相比，現(xiàn)階段多數(shù)純電動船舶還未能

滿足人們對船舶性能的需求.因此，研究混合動力電動船舶可為船舶從柴油發(fā)電機組單獨供電過渡到純電動供電提供可行性方案.

雙向DC/DC變換器在混合動力系統(tǒng)中起著重要作用，是船舶混合動力系統(tǒng)的關鍵設備之一.[34]圖1是串聯(lián)式船舶混合動力系統(tǒng)結構原理，雙向DC/DC變換器連接在動力電池與直流母線之間，控制動力電池能量的流向與大小.由動力電池供電時，動力電池通過DC/DC變換器向直流母線傳遞電能；當能量回流時，直流母線將剩余電能回饋給動力電池進行充電.可見，雙向DC/DC變換器是混合動力能量控制系統(tǒng)的核心部件，變換器輸出電能應具有良好的穩(wěn)定性和動態(tài)性.

DC/DC變換器是一種采用開關方式控制的直流穩(wěn)壓電源.近年來發(fā)展起來的模糊控制是一種仿人智能控制法，它不依賴被控對象的數(shù)學模型，便于利用人的經(jīng)驗知識進行控制.將模糊控制技術引入DC/DC變換器是目前研究的熱點.文獻[5]和[6]將模糊PID控制運用到Buck變換器中，獲得了良好的穩(wěn)態(tài)響應和動態(tài)響應.文獻[7]設計了一種簡單的模糊PID控制器，并進行了擾動實驗，結果表明模糊PID控制器具有良好的抗干擾性能.文獻[8]和[9]運用數(shù)字信號處理器（DigitalSignalProcessor，DSP）實現(xiàn)了Buck變換器的模糊PID控制，同樣得到了較好的實驗結果.文獻[10]運用模糊控制實現(xiàn)了Boost變換器的輸出穩(wěn)定，證明了模糊控制對Boost變換器有良好的控制效果.模糊控制對一些復雜的和難以用準確的數(shù)學模型描述的系統(tǒng)是非常適宜的，特別是對無法確定的復雜對象具有較好的控制性能.在船舶混合動力系統(tǒng)中，動力電池不斷變換充放電模式，要求能量雙向流動，這需要結構簡單、輸出穩(wěn)定的雙向DC/DC變換器.本文基于這一要求提出雙向DC/DC變換器的模糊PID控制，保證雙向DC/DC變換器兩端輸出電能的穩(wěn)定性和抗擾性.

1混合動力雙向DC/DC變換器模型分析

1.1變換器拓撲分析

圖2為船舶混合動力系統(tǒng)中雙向DC/DC變換器的主電路拓撲，其

中V1，V2分別代表直流母線和動力電池的端電壓，通過混合動力能量管理策略選擇動力電池充放電模式.動力電池放電時，變換器處于Boost模式，變換器須維持穩(wěn)定的電壓輸出，但由于受動力電池電量的影響，動力電池放電電壓隨著時間下降，同時受需求功率的影響，負載電阻時刻變化，這對輸出電壓穩(wěn)定性提出了挑戰(zhàn).當動力電池充電時，變換器處于Buck模式，保持輸出電壓在可靠范圍內同樣重要.

1.2控制器結構

雙向DC/DC變換器要同時兼顧動力電池可隨時充、放電的要求，這對混合動力系統(tǒng)能量控制策略是否可實現(xiàn)至關重要.傳統(tǒng)的DC/DC變換器控制方法是通過調節(jié)PI控制器開關器件的通斷時間，達到調節(jié)輸出電壓目的的，但由于DC/DC變換器的非線性特點，往往達不到預期的控制效果.模糊PID控制可動態(tài)修正控制器參數(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾性能，因此本文選擇電壓反饋模糊PID控制器.如圖3所示：將雙向DC/DC變換器穩(wěn)壓端輸出電壓與參考值的誤差量E作為電壓反饋模糊PID控制器的輸入；d是對誤差E求導，得到的誤差變化率dE/dt作為模糊PID控制器的另一個輸入.本文先由變換器參數(shù)設計出單PID控制器，在此基礎上按照控制要求設計通用模糊控制規(guī)則.模糊控制器的輸出與PID控制器的輸出相乘后生成新的控制量，控制量再與頻率為50kHz的鋸齒波比較產(chǎn)生PWM波，進而控制DC/DC變換器的IGBT.這里K4和K5是輸入比例系數(shù)，調節(jié)K4和K5能使輸入量在合理的控制區(qū)間內；K6是輸出比例系數(shù)，反復調節(jié)K6使模糊控制器有更好的輸出與PID控制器輸出相結合，從而保證變換器輸出的穩(wěn)定性和動態(tài)性.

1.3PID控制器設計

當動力電池對外供電時，DC/DC變換器處于Boost模式；當直流母線對動力電池充電時，DC/DC變換器處于Buck模式.設圖2中IGBT1的占空比為D，引入拉氏符號s，則變換器的Buck模式小信號模型[11]為

同樣，變換器的Boost模式小信號模型為

在雙端穩(wěn)壓情況下，要求PID控制器能對兩個方向的DC/DC變換器進行穩(wěn)定調節(jié).文獻[12]通過對DC/DC變換器模型進行分析，設計出單個PID控制器對雙向DC/DC變換器進行穩(wěn)定調節(jié)，并證明此法可行.設系統(tǒng)參數(shù)為V1=100V，V2=48V，R1=20Ω，R2=5Ω，參考電壓Vref為5V.根據(jù)電流連續(xù)時電感及電容取值條件[7]，設計電感L=50μH，電容C1=C2=100μF.

式（3）為反饋分壓的傳遞函數(shù)表達式，由該式得到Buck模式和Boost模式的反饋分壓比分別為

對Buck模式和Boost模式下DC/DC變換器的傳遞函數(shù)同時進行PID的設計，最后配置PID控制器的傳遞函數(shù)

1.4模糊控制器設計

船舶混合動力能量管理系統(tǒng)可對變換器發(fā)出充電和放電指令，當變換器接收指令并發(fā)生切換或有

外在干擾時往往會產(chǎn)生電壓或電流尖峰，這無論對變換器、動力電池還是供電母線都是不利的.模糊PID控制器使變換器在Buck模式和Boost模式下得到良好的動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)性能的同時，抑制尖電壓或電流尖峰.模糊規(guī)則如表1所示，模糊控制器有兩個輸入量，E和dE/dt.對E和dE/dt定義5個語言值，分別為NB（負大）、NS（負小）、ZE（不變）、PS（正?。?、PB（正大）.設計一個輸出變量U，定義5個語言值，分別為DIVB（除大）、DIV（除）、NU（不變）、MUL（乘）、MULB（乘大）.

再確定輸入和輸出的隸屬度函數(shù)，見圖5.這里選擇三角形隸屬度函數(shù)，解模糊化的方法為重心法.E和dE/dt分別經(jīng)輸入比例系數(shù)K4和K5作用后作為模糊控制器的輸入，模糊控制器的輸出經(jīng)過輸出比例系數(shù)K6作用后與PID控制器輸出結合，與鋸齒波比較產(chǎn)生PWM波.可見，選取合適的輸入輸出隸

屬度函數(shù)后，只需調節(jié)輸入和輸出比例系數(shù)，使模糊控制器有更好的輸出與PID控制器輸出結合，就能保證變換器輸出的穩(wěn)定性和動態(tài)性.

1.5仿真模型建立

利用船舶能量管理系統(tǒng)對供電系統(tǒng)進行綜合性分析，確立能量調度、管理原則和實現(xiàn)方法.[13]能量管理系統(tǒng)的實現(xiàn)對DC/DC變換器提出了簡單、可控、高效的要求.通過船舶混合動力能量管理系統(tǒng)對DC/DC變換器的需求分析，提出基于單個模糊PID控制器的實現(xiàn)雙端穩(wěn)壓的DC/DC變換器控制器.根據(jù)圖2拓撲結構，運用MATLAB/Simulink設計出船舶混合動力DC/DC變換器雙端穩(wěn)壓模糊PID仿真模型.如圖6所示，由一個單位階躍信號（Step1）模擬一次能量管理系統(tǒng)對動力電池由充電模式切換到放電模式.圖中：K2和K3分別是兩端反饋分壓比；R1為模擬負載等效電阻，R2為模擬動力電池內阻，為便于分析和測量，當一端做電源端時忽略該端內阻，另一端斷掉電源.通過對電流的動態(tài)均值進行檢測來自動選擇穩(wěn)壓端，模擬動力電池與直流母線間的充放電作用.

2仿真驗證

2.1擾動情況仿真

根據(jù)本文設計的模糊PID控制器，在MATLAB/Simulink中對變換器的兩種工作模式分別進行了仿真，經(jīng)過反復調節(jié)K4，K5和K6后，選取K4為1，K5為0.0002，K6為0.8，使模糊PID控制器控制下的變換器在Buck模式和Boost模式下都有良好的表現(xiàn).同時與經(jīng)典PID控制器進行對比研究.

圖7為模糊PID控制下和PID控制下的BiBuck/BoostDC/DC變換器輸出響應曲線，兩端電壓分別為100V和48V.在Buck模式下：0.03s時負載端并入了20Ω的電阻，其負載電阻變?yōu)?0Ω，0.05s時撤下該電阻，模擬負載變化的擾動，觀察兩種變換器的抗擾性能；0.08s時使輸入電壓下降為40V，模擬動力電池的供電電壓下降時的情況.在Boost模式下：0.02s時負載端并入了5Ω的電阻，其電阻變?yōu)?.5Ω，0.04s時撤下該電阻，模擬負載變化的擾動，觀察兩種變換器的抗擾性能；0.08s時使輸入電壓下降為90V，模擬輸入電源的擾動.

由圖7可以看到：（1）與經(jīng)典PID控制相比，模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都能率先穩(wěn)定，這表明模糊PID控制下的DC/DC變換器具有良好的動態(tài)性能.（2）模糊PID控制比PID控制能更好地抵抗負載擾動，抑制擾動造成的尖峰，并且其擾動造成的波動在可接受的范圍內.（3）當兩種模式下輸入電壓下降一定幅度時，與經(jīng)典PID控制相比，模糊PID控制能更好地抵抗來自電源的擾動，表現(xiàn)出了良好的抗擾性能.

2.2切換情況仿真

實現(xiàn)能量雙向流動是雙向DC/DC變換器的主要特點之一，也是船舶混合動力系統(tǒng)能量管理的要求.文獻[14]提出運用電感電流的動態(tài)均值來檢測電流流動的方向，并根據(jù)電流流動的方向，自動選擇穩(wěn)壓端.本文根據(jù)文獻[14]對輸出電感電流設置合理的動態(tài)采樣頻率，設計了電流均值控制電路，并仿真驗證其在模糊PID控制和PID控制下的切換效果.在0.02s時雙向DC/DC變換器由升壓向母線供電模式切換到母線向動力電池供電模式，電流反向，控制電路對電流均值進行處理從而輸出控制信號，控制選擇由IGBT2到IGBT1完成系統(tǒng)由Boost模式到Buck模式的切換.

從圖8可以看出：模糊PID控制在Buck模式和Boost模式下都有很好的輸出響應；在0.02s切換時，相比于經(jīng)典的PID控制，模糊PID控制沒有出現(xiàn)超調和尖峰的情況.這表明模糊PID控制在切

換時同樣能保證變換器的輸出電能穩(wěn)定.

3結論

本文根據(jù)船舶混合動力系統(tǒng)工作模式，設計了雙向DC/DC變換器雙端穩(wěn)壓仿真模型，并用單模糊PID控制器實現(xiàn)了雙向DC/DC變換器的輸出電壓穩(wěn)定.仿真實驗結果表明，本文中設計的模糊PID控制器具有良好的動態(tài)性能，不論對負載擾動還是電源擾動都有較強的穩(wěn)定性，尤其在抗電源干擾方面有良好的表現(xiàn)，證明該設計可行.

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