一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法技术

本发明专利技术公开了一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，首先，假设电流是可测量的，基于能量整形理论，设计了电压控制器；其次，基于参数估计方案，结合动态回归扩展与混合技术，将状态估计问题转化为参数估计问题，进而通过建立线性回归模型，设计梯度下降观测器在线估计不可测量状态和未知功率负载；最后，将估计量引入上述全信息状态反馈控制律，得到无电流传感自适应能量整形控制器。在变换器的电感电流和功率负载精确信息无法获得的情况下，本发明专利技术所设计的控制方法仍然能保证输出电压准确地跟踪给定值，且能抑制工况变化对于系统的影响，显著降低电力电子系统硬件成本和故障率，提高系统的容错性，具有很强的应用前景。应用前景。应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法


[0001]本专利技术涉及一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，具体涉及一种基于能量整形控制器和动态回归扩展与混合观测器的含恒功率负载升压变换器控制方法，属于电力电子系统控制


技术介绍

[0002]构建资源节约型、环境友好型社会是推进社会主义和谐社会建设的重要内容。因此，为了电力永续发展，电网建设也必将与时俱进，加快调整电网结构。微网系统是一种综合新能源网络化供应与管理的解决方案，可以为主电网引入可再生能源发电系统创造有利条件，实现需求侧管理及能源最大效率利用，降低了化石能源在电源结构中的比例。在微网系统中，电力电子系统作为重要的电能转换和传输的单元。需要指出的是，经常需要将多个电力电子系统以级联的形式相互连接，从而提高电压调节的灵活性。通常将第一级电力电子系统称为前级系统，将后续级联形式的多个变换器和负载组成的系统统称为负载系统。在某个工况下，负载系统上所消耗总功率是一定的，那么对于前级系统来说，其负载功率是恒定的，因此该负载就无法简单描述为一个传统电阻型负载，而更为精确地描述为恒功率负载。当微网系统存在恒功率负载时，若不施加切实有效的补偿措施，负阻尼特性会使得微网系统中母线电压产生低频振荡现象，引发设备损害、控制保护误动作，甚至致使整个电力系统电压崩溃，严重危害用电安全。
[0003]含恒功率负载的电力电子系统是一个高阶、多变量、强耦合、具有负阻尼特性的非线性系统，同时受到多种类型干扰的影响。这些非线性因素、负阻抗特性、和外界干扰的存在，严重阻碍电力电子系统控制性能的提升，进而影响微网系统的电能质量。而传统线性控制方法，如 PID 控制、线性二次调节器等，因其在本质上很难克服这些因素对系统产生的不利影响，已无法满足在恒功率负载和干扰作用下系统对高精度控制性能的需求。许多先进控制方法的已经成功应用到此系统，如有源阻尼、反馈线性化、滑模控制、能量整形控制，这些方法从不同方面提升了系统的性能。
[0004]能量整形控制是基于无源性理论的一种非线性控制方法。针对含恒功率负载的电力电子系统非线性控制问题来说，在补偿负阻尼特性时，实际上就是增加系统内部消耗能量的环节，因此基于能量整形的控制方法具有显著优势。文献（杨涛，陆益民，龙梦妮. 基于端口受控哈密顿系统模型的带恒功率负载的 Buck 变换器控制. 电源学报，2012，11(05)：15
‑
18.）设计了无源控制器，仿真结果表明所提出方法有效地补偿了负阻尼对系统的影响，实现了输出电压调节控制目标。文献（Hassan, M.A., Li, E.P.,Li, X., et al.:
ꢀ‘
Adaptive passivity
–
based control of DC
‑
DC buck power converter with constant power load in DC microgrid systems
’
, IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2019, 7, (3), pp. 2029
–
2040）通过设计无源控制器和扰动观测器得到自适应控制方案，实验结果表明输出电压能够跟踪给定值。但是现有大多文献中的控制方案实现都需要功率负载和电感电流的精确信息，未见针对含恒功率负载的
功率变换器无传感控制方法的报道。应该指出，全状态反馈控制方法在一定程度上增加了系统硬件成本，提高了系统的故障率，降低了系统的可靠性。

技术实现思路

[0005]本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，该方法结合无源性理论和动态回归扩展与混合技术，实现对含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。
[0006]本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，包括如下步骤：步骤1，采用时间平均建模方法，以含恒功率负载升压变换器的输出电压、电感电流为状态量，以占空比信号为控制量建立状态空间模型；步骤2，基于步骤1建立的状态空间模型，结合参数估计技术以及动态回归扩展与混合技术，建立线性回归方程，进而设计梯度下降观测器，实现对电流和负载功率的重构；步骤3，基于无源控制理论，设计能量整形控制器，实现含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。
[0007]作为本专利技术的一种优选方案，步骤1所述状态空间模型具体如下：其中，为输出电压，i为电感电流，L、C、P和E分别为电感、电容、负载功率和输入电压，为电感寄生电阻，为控制信号，，为占空比，表示开关管关断，表示开关管闭合，t为时间。
[0008]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤2的具体过程如下：步骤21，定义变量为不可测量，为可测量，将步骤1建立的状态空间模型重写为如下模型：其中，，，，，；步骤22，基于动态扩展思想，将状态估计问题转化为如下参数估计问题：其中，为新定义变量，为新定义变量，为跟初始值有关的未知常数；步骤23，基于步骤21得到的模型，动态扩展描述为：
其中，为新定义变量，分别为变量和状态的初始值，为观测器增益；则线性回归方程设计为：其中，表示可测量，为待估计的未知参数向量；步骤24，在步骤23建立的线性回归方程基础上，结合动态回归扩展与混合技术，设计如下梯度下降观测器：其中，为动态扩张量，为微分算子，定义为，为变量的初始值，，，表示行列式，为伴随矩阵，为观测器增益，为新定义函数，参数满足，，且，为观测器输出；则电流和负载功率重构为：其中，分别表示的估计值，为观测器输出的初始值，函数的定义如下：
其中，为任意常数。
[0009]作为本专利技术的一种优选方案，所述步骤3的具体过程如下：步骤31，定义变量，将步骤1建立的状态空间模型重写为如下端口哈密尔顿形式：其中，，H为能量函数，且，；步骤32，基于无源控制理论，设计能量整形控制器为：其中，为新定义输入量，为常数，且状态由状态经过坐标变换后得到，表示为，，为状态期望值， ，，为期望的输出电压；步骤33，将步骤24得到的估计值代入上述能量整形控制器得到无电流传感控制器为：
其中，，为代入估计值后的能量整形控制律；进而得到无电流传感自适应能量整形控制器为：。
[0010]本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、针对已有大多数局限于线性化的方法，以及已有基于大信号方法未能给出吸引区估计范围的问题，本专利技术设计含恒功率负载升压变换器的能量整形控制方法，使得闭环系统在大范围是渐近稳定，为系统在变工况和大扰动作用下具有良好运行性能提供了理论方法。
[0011]2、针对已有方法局限于控制方案实现均需要所有状态量信息的问题，本专利技术提出基于动态回归扩展与混合理论的状态观测器构造方法，从而避免电力系统使用过多传感器，降低了系统故障率，提高了系统的容错率，为含恒功率负载的电力电子系统无传感控制提供先进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，采用时间平均建模方法，以含恒功率负载升压变换器的输出电压、电感电流为状态量，以占空比信号为控制量建立状态空间模型；步骤2，基于步骤1建立的状态空间模型，结合参数估计技术以及动态回归扩展与混合技术，建立线性回归方程，进而设计梯度下降观测器，实现对电流和负载功率的重构；步骤3，基于无源控制理论，设计能量整形控制器，实现含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。2.根据权利要求1所述的含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，其特征在于，步骤1所述状态空间模型具体如下：其中，为输出电压，i为电感电流，L、C、P和E分别为电感、电容、负载功率和输入电压，为电感寄生电阻，为控制信号，，为占空比，表示开关管关断，表示开关管闭合，t为时间。3.根据权利要求2所述的含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，其特征在于，所述步骤2的具体过程如下：步骤21，定义变量为不可测量，为可测量，将步骤1建立的状态空间模型重写为如下模型：其中，，，，，；步骤22，基于动态扩展思想，将状态估计问题转化为如下参数估计问题：其中，为新定义变量，为新定义变量，为跟初始值有关的未知常数；步骤23，基于步骤2...

【专利技术属性】
技术研发人员：贺伟，商誉楷，李涛，宋公飞，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：发明
国别省市：