三相隔离型AC-DC-DC...控制方法及纹波抑制补偿策略_孟建辉.pdf

2023 年7 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.14 第 38 卷第 14 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.220901 三相隔离型 AC-DC-DC 电源自适应线性 自抗扰控制方法及纹波抑制补偿策略 孟建辉1 吴小龙1 张自力2 叶泰然1 于竞森1 顾立康1（1.新能源电力系统国家重点实验室（华北电力大学）保定 071003 2.国网邯郸供电公司 邯郸 056035）摘要 三相隔离型 AC-DC-DC 电源因其具有功率密度大、电气隔离等优点，在工业上应用广泛。但在一些负荷频繁投切的特殊应用场景下，如电泳、电镀等，基于传统 PI 控制的电源存在输出电压响应速度慢及纹波大的问题。为了提升电源的输出电压响应速度，该文在分析线性自抗扰控制中关键带宽参数与输出量之间关系的基础上，提出一种控制器带宽参数自适应调节的线性自抗扰控制（A-LADRC）方法以实现输出电压在负荷突变下的快速调节。而针对系统前级不控整流环节中电压六脉动分量对后级系统带来的输出电压纹波增大问题，设计一种根据系统输出电压反馈值，自适应调整变换器占空比补偿量的控制策略，以实现减小电压纹波的目的。最后通过一台400 V/50 A 的实验样机对所提方法进行了验证，结果表明所提方法能够有效提升系统输出电压响应速度并减小电压纹波，具有较好的实际工程应用价值。关键词：三相隔离型电源 移相全桥变换器 线性自抗扰控制 电压纹波 占空比补偿 中图分类号：TM46 0 引言 三相隔离型 AC-DC-DC 电源具有功率密度大、易于扩展及电气隔离等优点，在工业上得到了广泛的应用1-4。在一些特殊应用场合（如电泳和电镀等），由于其负载通常频繁的投切，要求电源输出电压具有极快的响应速度，但因核心的隔离型 DC-DC变换器是一种典型的非线性系统，在传统 PI 线性控制方法下其通常无法满足动态响应速度需求，更无法应对因负载突变带来的电压暂降或暂升问题，尤其是针对电压敏感型的直流负载。且由于前级 AC-DC 三相不控整流环节的影响，输出电压纹波通常较大，配置较大的滤波电容又会增加电源的成本。因此，亟须从控制层面来提升输出电压响应速度及减小纹波以解决大功率AC-DC-DC电源在特殊应用场景下遇到的问题。在提升电源输出响应速度方面，近年来大量学者致力于研究隔离型 DC-DC 变换器新的控制方法，以获得良好的动态输出特性。文献5提出的一种滑模控制，具有优于传统 PID 控制的稳态和动态性能，但是其开关频率不稳定，易导致损耗和电磁干扰问题。文献6针对 DC-DC 变换器的非线性特性，提出用模糊逻辑控制器控制 DC-DC 变换器输出电压，尽管具有一定的优势，但其计算需求较高，不仅影响变换器在负载突然变化的反应速度，还增加了变换器的成本。文献7提出一种基于三重移相的模型预测控制策略，在解决端口功率耦合问题的同时对损耗进行了优化，但也存在计算量大的问题。文献8在移相全桥变换器的控制策略上，采用反向传播（Back Propagation,BP）神经网络和粒子群优化 BP神经网络实现的各种双闭环 PI 控制效果，具有响应速度快和超调量小的优点。但是 BP 本身具有收敛速度慢、网络易陷入局部最小的缺点，不适合于工业应用。因而，针对大功率电源的核心 DC-DC 变换装置而言，具有良好动态响应且适合工业应用的控制方法具有较高的实际价值。自抗扰控制（Active Disturbance Rejection Control,国家自然科学基金资助项目（51807064）。收稿日期 2022-05-23 改稿日期 2022-09-09 第 38 卷第 14 期 孟建辉等 三相隔离型 AC-DC-DC 电源自适应线性自抗扰控制方法及纹波抑制补偿策略 3899 ADRC）技术是在传统 PID 控制基础上提出的改进策略，具有良好的抗干扰性能9-10。参数整定是ADRC 设计的重要问题，由文献11提出的线性自抗 扰 控 制（Linear Active Disturbance Rejection Control,LADRC），将传统 ADRC 线性化，减少可调参数数量的同时给出参数整定方法，并继承了原控制器的优点。文献12将 LADRC 应用于配电网逆变器控制中，验证了 LADRC 控制器稳定性良好，以及控制器具有动态跟踪响应速度和抗干扰能力。文献13-14将 LADRC 应用于伺服系统，设计了伺服系统中永磁同步电机的速度控制器和电流控制器，实现了控制器的高动态响应、强抗干扰和噪声抑制能力。以上文献中，线性自抗扰控制技术的优势都得到了充分验证。但应对较复杂的非线性系统时，受其固定的控制参数影响，面对动态变化的受控系统，控制效果不太理想，因此研究如何提高LADRC 灵活调节能力具有实际意义。同时，针对三相 AC-DC-DC 电源，受前级不控整流环节的影响，隔离型 DC-DC 变换器的直流输出电压具有周期性的六脉动分量。传统的 PI 控制器在脉动周期内反复调节，控制变换器的占空比来回振荡，脉动的抑制效果较差。文献15-16分别通过引入负载电流前馈、反馈，来抑制两级式单相逆变器的二次电流纹波。文献17提出了电流扰动前馈策略的陷波滤波器，对信号进行反馈调节，设计了一种带电压扰动前馈的反馈线性化策略来抑制变换器的输出电压纹波。文献18-19通过改进变换器以及滤波电路的电路结构，实现改善纹波的目的。文献20通过反馈线性化与输出扰动量前馈移相控制来抑制双有源桥 DC-DC 变换器的纹波电压。虽然外加电容电感能抑制脉动，但是考虑到工业应用的经济性，设计一种简单且易于实现的方法来减少隔离型 DC-DC 变换器输出电压的稳态纹波，以提高电能质量，具有可观的经济性和工程应用价值。为了解决上述问题，提高系统的响应速度，本文提出了一种控制器带宽参数自适应调节的线性自抗 扰 控 制（Adaptive Linear Active Disturbance Rejection Control,A-LADRC）方法。为了减小系统前级不控整流环节中电压六脉动分量引起的输出电压纹波增大问题，提出了一种占空比补偿控制策略。最后通过对一台 20 kW 的实验样机进行了验证。1 系统拓扑结构及工作原理 本文所研究的系统拓扑结构如图 1 所示。为了节约成本，前级主要采用三相不控整流；后级隔离型 DC-DC 变换器通常采用移相全桥拓扑结构，后桶的拓扑结构决定了整个电源性能。三相交流电源经整流桥输出，通过 LC 滤波器滤波、稳压后，经由 DC-DC 大功率开关变换器及滤波装置向右端负载供电，将经 L1、C1滤波输出的电压用 ui表示。全桥电路中 Llk为漏电感，通过控制全桥逆变电路的四个开关管 S1S4的开断，在 T1前级得到交流方波电压，变压后再接入全桥整流电路 VD5VD8，经过滤波电感 L2、稳压电容 C2作用后输出电压 uo，为负载供电。其中，变压器电压比为 1N。图 1 AC-DC-DC 模块拓扑结构 Fig.1 Topology structure of AC-DC-DC module DC-DC 大功率开关变换器采用移相 PWM 控制方式，同一桥臂的两个开关管互补导通，两个桥臂间对角开关管导通时错开的角度为移相角，该移相角决定了开关管的导通占空比。图 2 所示为忽略了死区时间的变换器工作原理波形，t0t8为开关管工作的一个周期。图 2 大功率变换器工作原理波形 Fig.2 Waveforms of working principle of high power converter 图 2 中，up为变压器一次电压，其占空比为 D；us为变压器二次电压；lkLI为流经漏电感电流。由于在 t1t3、t5t7内谐振电感与开关管的结电容形 3900 电 工 技 术 学 报 2023 年 7 月 成串联谐振，使变压器处于短接状态，由此导致二次电压占空比的丢失即图中阴影部分，设为 Dloss；则变压器二次侧的有效占空比 Deff为 efflossDDD=（1）由于全桥电路一般工作在深度连续状态，则Dloss简化后21可得 slk2lossi4Lnf L IDU=（2）式中，fs为变换器开关频率；IL2为滤波电感电流。2 AC-DC-DC 电源六倍频脉动分析 在系统前级三相桥式不控整流电路中，已知三相交流输入电压为 abc2sin()22sin342sin3uUtuUtuUt=+=+（3）式中，U 为三相交流电压有效值，U=220 V；为角频率。整流电路输出电压是周期性的非正弦函数，其中直流分量包括不同频率谐波。通过对整流输出电压进行傅里叶级数分解22可得到（m 脉波为例）dd0cos()nn mkuubn t=+（4）式中，ud0为基波幅值；k=1,2,3,；bn为 n 倍频谐波幅值。三相桥式不控整流电路中 m=6，滤波前整流输出电压取前三项得到 d2cos(6)2cos(12)2.34135143ttuU=+|（5）输出电流可表示为 ddeuiR=（6）式中，Re为后极电路等效阻抗。不控整流输出电压电流经 L1、C1滤波可得到输入到隔离型 DC-DC 变换器电压、电流 ui、ii。通过微分方程计算可得 did1iid1ddddiuuLtuiiCt=（7）给定隔离变压器前级逆变电路开关管实际导通状态函数 D(t)，可得出隔离变压器一次电压、一次电流分别为 14231SS()1SS0D t=、同时导通、同时导通其他 （8）ipi1kpid()()d()iuu D tL D ttii D t=（9）式中，ip为变压器一次电流。已知隔离变压器电压比为 1N，可得变压器二次电压与二次电流分别为 sppsuNuiiN=（10）图 3 所示为系统在一个周期内各阶段输出电压波形。从图 3 中可以看出，不控整流环节中输出电压六脉动分量含量较大。由二次电压 us波形及局部放大图可以看出，受前级不控整流环节的影响，隔离型 DC-DC 变换器二次电压具有周期性的六脉动分量，甚至会直接影响输出电压 uo的波形。因此，需要进一步研究如何提高系统电能质量，并改善隔离型 DC-DC 变换器输出电压的稳态纹波。图 3 各阶段输出电压波形 Fig.3 Output voltage waveforms at each stage 3 A-LADRC 策略及纹波减小方法 鉴于移相全桥 DC-DC 变换器的非线性和复杂 第 38 卷第 14 期 孟建辉等 三相隔离型 AC-DC-DC 电源自适应线性自抗扰控制方法及纹波抑制补偿策略 3901 性，基本的 PI 调节控制已无法满足工程应用中对调节速度等控制性能的需求。LADRC 因其在非线性系统中良好的控制性能12,23得到了广泛的应用，LADRC 在保留 ADRC 优势的基础上减少了控制参数的选取，简化了非线性自抗扰控制器。控制器带宽较宽有利于提高抗扰度性能，但在本文研究的三相隔离型 AC-DC-DC 电源应用中，因传统 LADRC是基于固定的控制器参数，因而无法应对突增负荷带来的电压暂降等响应问题，为此本文提出了一种可根据输出电流实时值灵活调整控制器带宽参数的A-LADRC 方法，在解决实增负荷带来的电压暂降响应问题的同时提升了系统输出响应。本文针对系统前级不控整流环节中电压六脉动分量导致系统输出电压纹波增大的问题，提出了一种占空比补偿控制。3.1 A-LADRC 策略及参数设计方法 图 4 所示为本文所提 A-LADRC 及占空比补偿总控制框图。针对本文二阶研究系统，对 A-LADRC参数进行整定。基于对线性状态误差反馈（Linear State Error Feedback,LSEF）控制与线性扩张状态观测器（Linear Extended State Observer,LESO）特征方程极点配置方法，在考虑实际工程应用的背景下对参数选取进行改进。图 4 所提基于 A-LADRC 及占空比补偿控制总