基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于电力电子变换器控制技术领域，公开了一种基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置，基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法包括：根据电路的数学模型计算建立变换器工作在Boost模式和Buck模式的内外环预测控制模型，设计在正反方向模式下的龙伯格扰动观测器并在线补偿到预测模型当中，采用误差反馈和观测扰动前馈的方式，基于无差拍方法实现连续集的模型预测控制，得到各工作模式下的最优控制量，并将最优控制占空比送入载波移相PWM模块，以获得开关脉冲信号。本发明专利技术保留了传统模型预测控制动态响应速度较快的优点，在存在外部扰动和内部模型失配的情况下能够准确快速地跟踪给定。快速地跟踪给定。快速地跟踪给定。

【技术实现步骤摘要】
基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置


[0001]本专利技术属于电力电子变换器控制
，尤其涉及一种基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置。

技术介绍

[0002]近年来，DC
‑
DC变换器凭借其能量转换、调节等功能已经广泛应用于燃料电池汽车动力系统、光伏发电、UPS、储能系统等领域中。其中交错并联双向半桥型DC/DC变换器作为变换器的重要组成部分，是连接直流母线和储能介质的重要桥梁，具有减小每相开关器件的电流应力和开关损耗的优点。采用交错并联的拓扑结构可以完成较高的频率输出，降低每相开关频率。对于需要低输入电流纹波，高动态响应的蓄电池和光伏阵列电池来说，运用交错并联技术是一种很好的解决方案。
[0003]在传统的交错并联双向半桥型DC/DC变换器的各类控制方法中，双闭环PI 控制最为成熟，但传统的双闭环控制采用的是比例
‑
积分(PI)控制，反应时间慢、调整时间长，且多个PI控制器参数调节不易，动态性能受到了很大的限制。模型预测控制以其较快的动态响应速度和灵活的控制目标被广泛应用于电机驱动等相关领域，若内外环均采用MPC的控制策略，系统的动态响应速度将会大大增加。然而MPC的控制性能很大一部分取决于系统建模的精确性，电路参数的变化将导致控制系统参数标称值与系统实际参数值不匹配，变换器工作点远离标称值，进而影响控制系统的稳定性和鲁棒性。由于工况的变化，系统容易受到干扰，如负载电阻的扰动、输入输出电压的波动以及电感、电容的非理想性引起的参数失配都可能导致变换器的不稳定，出现静态误差。
[0004]因此，亟需一种新的基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置，以弥补现有技术的缺陷。
[0005]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0006](1)传统的交错并联双向半桥型DC/DC变换器的各类控制方法中，双闭环控制采用的是比例
‑
积分(PI)控制，反应时间慢、调整时间长，且多个PI控制器参数调节不易，动态性能受到了很大的限制。
[0007](2)MPC的控制性能很大一部分取决于系统建模的精确性，电路参数的变化将导致控制系统参数标称值与系统实际参数值不匹配，变换器工作点远离标称值，进而影响控制系统的稳定性和鲁棒性。
[0008](3)由于工况的变化，系统容易受到干扰，如负载电阻的扰动、输入输出电压的波动以及电感、电容的非理想性引起的参数失配都可能导致变换器的不稳定，输出不能准确快速跟踪参考，出现静态误差。
[0009]解决以上问题及缺陷的难度为：以上问题的解决难度主要体现在如何实现 DC/DC变换器的快速动态响应，精确的稳态跟踪，并具备较强的抗干扰性能。依赖现有技术可以实现快速动态响应或者较好的抗扰动能力，但较难同时兼顾多项控制目标，且没有考虑多扰动项对稳态静差的影响。
[0010]解决以上问题及缺陷的意义为：DC
‑
DC变换器作为燃料电池汽车动力系统、光伏发电、UPS、储能系统等的重要组成部分之一，它的性能对整个系统而言显得尤为重要，会直接影响系统的稳定可靠性。以上问题及缺陷的解决使 DC
‑
DC变换器的控制系统除了具备传统模型预测控制方法的优势外，还对传统方法进行改进，进一步提升系统的稳定性和快速性，对于变换器提高动态性能具有重要的应用意义。

技术实现思路

[0011]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置，尤其涉及一种基于在线扰动观测补偿的基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置，旨在解决传统模型预测控制方法中因外部扰动和内部模型失配而造成变换器不稳定，输出不能准确快速跟踪参考的问题。
[0012]本专利技术是这样实现的，一种基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法，所述基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法包括：
[0013]根据电路的数学模型计算建立变换器工作在Boost模式和Buck模式的内外环预测控制模型，设计在正反方向模式下的龙伯格扰动观测器并在线补偿到预测模型当中，采用误差反馈和观测扰动前馈的方式，基于无差拍方法实现连续集的模型预测控制，得到各工作模式下的最优控制量，并将最优控制占空比送入载波移相PWM模块CPS
‑
PWM，以获得开关脉冲信号。
[0014]进一步，所述基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法包括以下步骤：
[0015]步骤一，确定双向半桥型DC/DC变换器的状态变量和状态方程及参数，建立变换器的离散数学模型；电流控制模式下外环基于功率平衡原理，内环采用模型预测控制方法来提高整体控制系统的动态响应速度；
[0016]步骤二，根据系统离散数学模型，分别设计双向半桥型DC/DC变换器在正反方向工作模式即三相交错并联Boost和Buck模式下的龙伯格扰动观测器；
[0017]步骤三，根据系统数学模型和龙伯格扰动观测器，将观测状态变量在线补偿到预测模型中，采用误差反馈和观测扰动前馈控制方式，结合基于无差拍方法的连续集模型预测控制分别调整变换器在正反方向工作模式下输出的最优控制量；
[0018]步骤四，将最优控制量占空比送入CPS
‑
PWM模块，获得三相开关管的脉冲信号。
[0019]进一步，步骤一中，所述确定双向半桥型DC/DC变换器的状态变量和状态方程及参数，建立变换器的离散数学模型；电流控制模式下外环基于功率平衡原理，内环采用模型预测控制方法来提高整体控制系统的动态响应速度，包括：
[0020](1)建立变换器数学模型：当变换器工作在Boost模式下时，根据开关导通和截止进行建模，基于基尔霍夫定律和状态空间平均法得到三相交错并联 Boost变换器连续时间数学模型：
[0021][0022]其中，u
i
(t)为系统输入，V
in
、V
o
分别为输入和输出电压，R
o
为等效负载电阻， C
f
为
输出电容，L
i
(i＝1,2,3)为各相电感，i
Li
(i＝1,2,3)为各相电感电流，R
Li
(i＝1,2,3)为各相电感等效串联电阻。
[0023]采用前向欧拉离散化，得到变换器离散时间数学模型：
[0024][0025]其中，T
s
为采样时间，v＝V
in
，A,B,C,E为系统系数矩阵：
[0026][0027]x＝[i
L1 i
L2 i
L3 V
o
]T
。
[0028]外环基于功率平衡原理：根据模型瞬时功率平衡理论得到输入输出与总电感电流参考值的关系：
[0029][0030]要求各相电流参考值为总参考值的1/3来实现电流均流，得到各相电感电流参考值为：
[0031][0032]内环采用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换装置，其特征在于，所述基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法包括：根据电路的数学模型计算建立变换器工作在Boost模式和Buck模式的内外环预测控制模型，将正反方向模式下的龙伯格扰动观测器在线补偿到预测模型中，采用误差反馈和观测扰动前馈的方式，基于无差拍方法实现连续集的模型预测控制，得到各工作模式下的最优控制量，并将最优控制占空比送入载波移相PWM模块CPS
‑
PWM，获得开关脉冲信号。2.如权利要求1所述的基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法，其特征在于，所述基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法包括以下步骤：步骤一，确定双向半桥型DC/DC变换器的状态变量和状态方程及参数，建立变换器的离散数学模型；电流控制模式下外环基于功率平衡原理，内环采用模型预测控制方法来提高整体控制系统的动态响应速度；步骤二，根据系统离散数学模型，分别设计双向半桥型DC/DC变换器在正反方向工作模式即三相交错并联Boost和Buck模式下的龙伯格扰动观测器；步骤三，根据系统数学模型和龙伯格扰动观测器，将观测状态变量在线补偿到预测模型中，采用误差反馈和观测扰动前馈控制方式，结合基于无差拍方法的连续集模型预测控制分别调整变换器在正反方向工作模式下输出的最优控制量；步骤四，将最优控制量占空比送入CPS
‑
PWM模块，获得三相开关管的脉冲信号。3.如权利要求2所述的基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法，其特征在于，步骤一中，所述确定双向半桥型DC/DC变换器的状态变量和状态方程及参数，建立变换器的离散数学模型；电流控制模式下外环基于功率平衡原理，内环采用模型预测控制方法来提高整体控制系统的动态响应速度，包括：(1)建立变换器数学模型：当变换器工作在Boost模式下时，根据开关导通和截止进行建模，基于基尔霍夫定律和状态空间平均法得到三相交错并联Boost变换器连续时间数学模型：其中，u
i
(t)为系统输入，V
in
、V
o
分别为输入和输出电压，R
o
为等效负载电阻，C
f
为输出电容，L
i
(i＝1,2,3)为各相电感，i
Li
(i＝1,2,3)为各相电感电流，R
Li
(i＝1,2,3)为各相电感等效串联电阻；采用前向欧拉离散化，得到变换器离散时间数学模型：其中，T
s
为采样时间，v＝V
in
，A,B,C,E为系统系数矩阵：
x＝[i
L1 i
L2 i
L3 V
o
]；外环基于功率平衡原理：根据模型瞬时功率平衡理论得到输入输出与总电感电流参考值的关系：要求各相电流参考值为总参考值的1/3来实现电流均流，得到各相电感电流参考值为：内环采用模型预测控制方法：假设输入输出电压在一个采样周期时间内保持恒定不变，则电感电流线性变化，根据离散数学模型，k+1时刻电感电流值从k时刻预测得到：预测控制代价函数得到：分别将代价函数对控制量u
i
(k)求偏导，并令导数等于0确定使得代价函数最小时的控制量取值：计算得到：作为控制量输出到CPS
‑
PWM模块进行调制；(2)当变换器工作在Buck模式下时，根据开关导通和截止进行建模，基于基尔霍夫定律和状态空间平均法，得到三相交错并联Buck变换器连续时间数学模型：得到变换器离散时间数学模型：
其中，T
s
为采样时间，A
b
,B
b
,C为系统系数矩阵：,C为系统系数矩阵：x＝[i
L1 i
L2 i
L3 V
o
]；根据基尔霍夫电流理论：考虑均流，各相电感电流参考值为：内环采用模型预测控制方法，k+1时刻电感电流值从k时刻预测得到：代价函数得到：计算得到：作为控制量输出到CPS
‑
PWM模块进行调制。4.如权利要求2所述的基于扰动观测预测控制的双向DC/DC变换方法，其特征在于，步骤二中，所述根据系统离散数学模型，分别设计双向半桥型DC/DC变换器在正反方向工作模式即三相交错并联Boost和Buck模式下的龙伯格扰动观测器，包括：设计龙伯格扰动观测器，并将观测状态变量在线补偿到预测模型中；(1)对于Boost工作模式：集总扰动观测：根据步骤一的离散数学模型，集总扰动项定义为：将扰动项和电感电流作为状态变量，系统离散数学模型重写为：
其中，X
di
(t)＝[i
Li D
i
]
T
，C
d
＝[1 0]，v
d
＝V
o
；则扰动观测器设计为：其中，H＝[H
1 H2]
T
为...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪凤翔，于新红，杨钰敏，吴蒙，黄东晓，夏安俊，柯栋梁，何龙，
申请(专利权)人：泉州装备制造研究所，
类型：发明
国别省市：