基于非線性擴張狀態觀測器的交錯并聯Buck變換器無模型預測控制

于新紅

(中國科學院海西研究院泉州裝備制造研究中心,泉州 362216)

0 引 言

交錯并聯DC-DC變換器因具有功率密度高、電流紋波小、可靠性高等優點[1-2],在電動汽車、光伏發電、儲能系統等領域得到了廣泛應用[3-5]。交錯并聯Buck變換器能夠大幅減小輸出電流紋波,同時具備提高功率等級和降低開關應力等特點。傳統控制算法多采用PI控制[6],結構簡單和易于工程實現,但應用在交錯并聯拓撲時存在多組PI相互耦合、參數難以整定等缺點,并且在非線性擾動下易出現控制性能下降問題[7-8]。

模型預測控制(以下簡稱 MPC) 具有動態響應快、多目標控制能力強、實現簡單等優點,近年來在電力電子領域得到了較多應用[9]。文獻[10]將有限控制集MPC應用于DC-DC變換器,提升了系統的動態性能,但開關頻率不固定,導致電流紋波較大。文獻[11]將連續控制集MPC應用于DC-DC變換器,實現固定開關頻率控制,但其控制性能在很大程度上依賴于模型參數的準確性。在實際工況下,受到溫度變化、振動、負載突變等內外部干擾時,感性敏感器件參數容易發生非線性變化,造成實際數值和系統數學模型失配。MPC等先進控制算法的性能依賴系統數學模型的精度,當參數出現漂移時,控制系統在失配模型的基礎上會產生誤判,無法選擇最優的開關矢量,從而造成控制系統動態性和魯棒性下降[12-13]。

4Rs是指關聯（Relevancy）、反應（Respond）、關系（Relation）、回報（Return）策略。4Rs既從企業的角度出發，又兼顧了消費者的需求，還兼顧了競爭導向，是一個更符合新經濟背景下、有利于企業和消費者的營銷組合策略。

為解決上述問題,近幾年學者們提出了一些方法,主要包括擾動觀測技術和無模型控制策略(以下簡稱 MFC)[14]。文獻[15]采用擴張狀態觀測器(以下簡稱 ESO)對集總擾動進行觀測,由無源控制器進行實時補償。文獻[16]提出一種基于降階ESO的滑模控制方法,實現對直流降壓變換器系統給定電壓跟蹤的快速性和準確性。文獻[17]提出一種帶自適應滑模觀測器的MPC,將其應用于內環以處理負載不確定性,但基于擾動觀測器的方法仍需建立被控對象的精準預測模型。文獻[18]將MFC與智能PID控制器相結合,應用于DC-DC變換器中,無需詳細預測模型,增強了系統魯棒性,但帶來了計算量較大的問題。文獻[19]建立了MPC與MFC相結合的控制策略,以更簡單的形式替換原有數學模型,降低了控制系統模型精度依賴,但外部擾動下的魯棒性仍有待提高。

為了提高三相交錯并聯Buck變換器在復雜工況模型失配下的控制性能,本文提出了一種基于非線性擴張狀態觀測器(以下簡稱 NESO)的無模型預測控制(以下簡稱 MFPC)策略。通過建立變換器超局部模型,降低控制系統對精準數學模型的依賴。設計NESO,對電壓和電流兩個控制環路的集總擾動進行觀測,并補償給模型。通過無差拍預測控制,預測未來時刻的參考矢量,經過載波移相調制控制變換器運行。最后仿真驗證了本控制策略的有效性。

基于NESO的MFPC框圖如圖2所示。電壓控制外環和電流控制內環均采用MFPC策略,并設計NESO實時補償超局部模型的未知擾動部分,系統具有良好的動穩態性能和魯棒性。

1 三相交錯并聯Buck變換器數學模型

三相交錯并聯Buck變換器拓撲圖如圖1所示。當功率開關Sm(m=1,2,3)和續流二極管Dm(m=1,2,3)忽略不計時,便得到一個連續時間模型:

圖1 三相交錯并聯Buck變換器拓撲圖

(1)

式中:Lm,RLm和iLm(m=1,2,3)分別為電感、等效電阻和三相電流;Co,Ro和Uo分別為輸出電容、負載電阻和輸出電壓;um(t)是開關狀態(1表示開關導通)。

為了簡化起見,只考慮交錯Buck變換器在CCM(電感連續模式)中運行的條件,得到其狀態空間模型:

(2)

微球為汞離子識別、雜交鏈式反應以及DNA酶催化反應提供了反應平臺,探針功能化的微球用量決定反應體系的靈敏度。如圖2(a)所示,加入反應體系的微球的量在5μL(5.06×103 beads/μL)以下時,隨著微球量的增加,吸光值也相應提升,表明在此范圍內微球量的增加,捕獲的汞離子量也增加,形成了更多的DNA酶分子;當反應體系中微球的量大于5 μL的時候,吸光度不再隨微球的量增加而增加,說明體系中微球的量已達到飽和。由此可見,該檢測體系中微球的最適用量為5 μL,即25.3×103 beads為最合適的加入量。

馬克思、恩格斯說：“各民族的原始封閉狀態由于日益完善的生產方式、交往以及因交往而自然形成的不同民族之間的分工消滅得越是徹底，歷史也就越是成為世界歷史。”[14]P88歷史和現實已經日益證明了這個預言的科學價值。學習馬克思主義這一思想，就要堅持互利共贏的開放戰略，不斷拓展同世界各國的合作，積極參與全球治理，同各國人民一道努力構建人類命運共同體，把世界建設得更加美好。“構建人類命運共同體”是馬克思主義這一思想在當今條件下的新境界。

2 無模型預測控制策略

2.1 超局部模型設計

構建一階系統的超局部模型:

(3)

(4)

式中:kp和ki分別表示比