基于非线性扩张状态观测器的交错并联Buck变换器无模型预测控制

2023-10-25于新红

微特电机 2023年10期

于新红

(中国科学院海西研究院泉州装备制造研究中心,泉州 362216)

0 引言

交错并联DC-DC变换器因具有功率密度高、电流纹波小、可靠性高等优点[1-2],在电动汽车、光伏发电、储能系统等领域得到了广泛应用[3-5]。交错并联Buck变换器能够大幅减小输出电流纹波,同时具备提高功率等级和降低开关应力等特点。传统控制算法多采用PI控制[6],结构简单和易于工程实现,但应用在交错并联拓扑时存在多组PI相互耦合、参数难以整定等缺点,并且在非线性扰动下易出现控制性能下降问题[7-8]。

模型预测控制(以下简称 MPC) 具有动态响应快、多目标控制能力强、实现简单等优点,近年来在电力电子领域得到了较多应用[9]。文献[10]将有限控制集MPC应用于DC-DC变换器,提升了系统的动态性能,但开关频率不固定,导致电流纹波较大。文献[11]将连续控制集MPC应用于DC-DC变换器,实现固定开关频率控制,但其控制性能在很大程度上依赖于模型参数的准确性。在实际工况下,受到温度变化、振动、负载突变等内外部干扰时,感性敏感器件参数容易发生非线性变化,造成实际数值和系统数学模型失配。MPC等先进控制算法的性能依赖系统数学模型的精度,当参数出现漂移时,控制系统在失配模型的基础上会产生误判,无法选择最优的开关矢量,从而造成控制系统动态性和鲁棒性下降[12-13]。

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为解决上述问题,近几年学者们提出了一些方法,主要包括扰动观测技术和无模型控制策略(以下简称 MFC)[14]。文献[15]采用扩张状态观测器(以下简称 ESO)对集总扰动进行观测,由无源控制器进行实时补偿。文献[16]提出一种基于降阶ESO的滑模控制方法,实现对直流降压变换器系统给定电压跟踪的快速性和准确性。文献[17]提出一种带自适应滑模观测器的MPC,将其应用于内环以处理负载不确定性,但基于扰动观测器的方法仍需建立被控对象的精准预测模型。文献[18]将MFC与智能PID控制器相结合,应用于DC-DC变换器中,无需详细预测模型,增强了系统鲁棒性,但带来了计算量较大的问题。文献[19]建立了MPC与MFC相结合的控制策略,以更简单的形式替换原有数学模型,降低了控制系统模型精度依赖,但外部扰动下的鲁棒性仍有待提高。

为了提高三相交错并联Buck变换器在复杂工况模型失配下的控制性能,本文提出了一种基于非线性扩张状态观测器(以下简称 NESO)的无模型预测控制(以下简称 MFPC)策略。通过建立变换器超局部模型,降低控制系统对精准数学模型的依赖。设计NESO,对电压和电流两个控制环路的集总扰动进行观测,并补偿给模型。通过无差拍预测控制,预测未来时刻的参考矢量,经过载波移相调制控制变换器运行。最后仿真验证了本控制策略的有效性。

基于NESO的MFPC框图如图2所示。电压控制外环和电流控制内环均采用MFPC策略,并设计NESO实时补偿超局部模型的未知扰动部分,系统具有良好的动稳态性能和鲁棒性。

1 三相交错并联Buck变换器数学模型

三相交错并联Buck变换器拓扑图如图1所示。当功率开关Sm(m=1,2,3)和续流二极管Dm(m=1,2,3)忽略不计时,便得到一个连续时间模型:

图1 三相交错并联Buck变换器拓扑图

(1)

式中:Lm,RLm和iLm(m=1,2,3)分别为电感、等效电阻和三相电流;Co,Ro和Uo分别为输出电容、负载电阻和输出电压;um(t)是开关状态(1表示开关导通)。

为了简化起见,只考虑交错Buck变换器在CCM(电感连续模式)中运行的条件,得到其状态空间模型:

(2)

微球为汞离子识别、杂交链式反应以及DNA酶催化反应提供了反应平台,探针功能化的微球用量决定反应体系的灵敏度。如图2(a)所示,加入反应体系的微球的量在5μL(5.06×103 beads/μL)以下时,随着微球量的增加,吸光值也相应提升,表明在此范围内微球量的增加,捕获的汞离子量也增加,形成了更多的DNA酶分子;当反应体系中微球的量大于5 μL的时候,吸光度不再随微球的量增加而增加,说明体系中微球的量已达到饱和。由此可见,该检测体系中微球的最适用量为5 μL,即25.3×103 beads为最合适的加入量。

马克思、恩格斯说：“各民族的原始封闭状态由于日益完善的生产方式、交往以及因交往而自然形成的不同民族之间的分工消灭得越是彻底，历史也就越是成为世界历史。”[14]P88历史和现实已经日益证明了这个预言的科学价值。学习马克思主义这一思想，就要坚持互利共赢的开放战略，不断拓展同世界各国的合作，积极参与全球治理，同各国人民一道努力构建人类命运共同体，把世界建设得更加美好。“构建人类命运共同体”是马克思主义这一思想在当今条件下的新境界。