CN111711359A - 适用于直流微电网的双级Boost变换器的新型MPC控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于直流微电网的双级Boost变换器的新型MPC控制方法，该双级Boost变换器为主电路为两个Boost电路级联构成，该控制方法首先实时采样双级Boost变换器中的输入电压、电流，中间级电容电压，后级电感电流，输出电压、电流。然后实时计算电路负载、后级Boost电路开关管的占空比和前级Boost电路开关管的占空比；最后将计算得到的开关函数发送给PWM波调制模块，所述调制模块再根据开关函数调制出相应的开关管PWM波开关信号完成对该双级Boost变换器的控制。本发明电路结构简单，有效提高了电路升压变比，控制算法简便，使得电路在发生负载突变时，出口电压能快速恢复，显著提升变换器出口电压质量。

Description

适用于直流微电网的双级Boost变换器的新型MPC控制方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于直流微电网的双级Boost的新型MPC(Model Predictive Control,MPC)控制方法。

背景技术

近年来，随着“微电网”概念的提出和光伏发电，风力发电等清洁能源发电技术的发展，直流微电网得到大力发展。目前国内外对直流微电网的研究重点主要集中在***的电压控制、保护和分布式电源管理等方面，对微电网电能质量问题的研究较少。随着工业技术的发展，电能质量的要求变得越来越高。为了给用户提供高质量的直流电能以及发展直流供电技术、推广实际工程，研究直流变换电路及其控制技术意义重大。

模型预测控制(Model Predictive Control,MPC)是产生于20世纪70年代后期的一种计算机控制算法，它的概念直观、易于建模、无需精确模型和复杂控制参数设计，对克服工业控制过程中的非线性及不确定性等问题有非常好的效果。随着微处理器的发展和应用，模型预测控制逐渐地被应用到电力电子***中，其中离散状态的有限控制集模型预测控制(Finite Control Set-MPC,FCS-MPC)直接利用了变换器的离散特性和开关状态有限的特性，这些显著的优点让其成为电力电子***模型预测控制研究的热点。

Boost变换器是直流微电网中最为基本且常见的变换器，目前大多数Boost变换器的MPC控制策略由于代价函数和电路参数相关，当电路参数发生改变时，控制效果随即受到影响。为解决此问题，有学者们将具有自适应能力的PI模块，PID模块同MPC结合，提出新的级联算法。但同样的，这类算法也存在控制结构复杂，动态过程缓慢，参数整定耗时长的问题。

发明内容

针对上述现有控制方法存在的问题，本发明提供一种适用于直流微电网的双级Boost变换器的新型MPC控制方法，该控制算法简化了控制结构和计算量，优化了动态过程，设计的双级Boost变换器通过此控制算法能快速实现负载投切时的动态电压恢复。

为了实现上述目的，本发明提供了一种适用于直流微电网的双级Boost变换器，由两个Boost电路级联构成，用以突破单级电路限制，在负载突变时能加快动态恢复过程，极大程度的减小出口电压跌落。

本发明还提供了根据电路模型和控制目标设计的双级Boost变换器的新型MPC控制方法，包括以下步骤：

(1)对双级Boost变换器中的输入电压u_s(k)，输入电流i_s(k)，中间级电容电压u₂(k)，后级电感电流i_L2(k)，输出电压u_dc(k)，输出电流i_dc(k)进行实时采样,其中，k表示采样时刻。

(2)实时计算电路负载R、后级Boost电路开关管的占空比n₂和前级Boost电路开关管的占空比n₁：

R＝u_dc(k)/i_dc(k)

其中，C₂为后级Boost电路出口侧电容，u_{dc_ref}表示k时刻出口电压u_dc的参考值，T_s表示控制周期，L₁为前级Boost电路电感，i_{s_ref}表示k时刻输入电流i_s的参考值。

其中：

i_{s_ref}＝P_ref/u_s(k)

u_s(k)为k时刻输入电压在。P_ref为保持出口电压稳定所需功率：

P_ref＝P_out+α·P_o

α为比例系数，取值为(1,100)。

(3)将计算得到的开关函数n₁，n₂发送给PWM波调制模块，所述调制模块再根据开关函数调制出相应的开关管PWM波开关信号完成对该双级Boost变换器的控制。

本发明在采用两级Boost电路级联，用以突破单级电路限制，设计的控制方法舍去复杂的代价函数选取与计算，将开关管占空比拓展为电路离散化模型中的开关函数，根据控制目标直接计算开关函数值。该控制方法实现了双级Boost变换器在负载突变时能加快动态恢复过程，极大程度地减小出口电压跌落，以及固定电路开关频率。

附图说明

图1为双级Boost变换器控制结构图；

图2为单级Boost电路拓扑图；

图3为Boost电路开关管导通时等效电路图；

图4为Boost电路开关管关断时等效电路图；

图5为直流侧出口电压仿真结果图；

图6为负载骤升时出口电压动态恢复过程仿真结果图；

图7为负载骤降时出口电压动态恢复过程仿真结果图。

具体实施方式

本发明提供了一种适用于直流微电网的单相级联整流器的新型MPC控制方法，所述控制方法包括如下步骤：

(1)对双级Boost变换器中的输入电压u_s(k)，输入电流i_s(k)，中间级电容电压u₂(k)，后级电感电流i_L2(k)，输出电压u_dc(k)，输出电流i_dc(k)进行实时采样,其中，k表示采样时刻。

(2)实时计算电路负载R、后级Boost电路开关管的占空比n₂和前级Boost电路开关管的占空比n₁：

R＝u_dc(k)/i_dc(k)

其中，C₂为后级Boost电路出口侧电容，u_{dc_ref}表示k时刻出口电压u_dc的参考值，T_s表示控制周期，L₁为前级Boost电路电感，i_{s_ref}表示k时刻输入电流i_s的参考值。

其中：

i_{s_ref}＝P_ref/u_s(k)

u_s(k)为k时刻输入电压。P_ref为保持出口电压稳定所需功率：

P_ref＝P_out+α·P_o

α为比例系数，取值为(1,100)。

为中间级电容电压参考值。

(3)将计算得到的开关函数n₁，n₂发送给PWM波调制模块，所述调制模块再根据开关函数调制出相应的开关管PWM波开关信号完成对该双级Boost变换器的控制。

下面结合附图对本发明方法作进一步说明。

如图1所示为本发明的双级Boost变换器控制结构图。其中两个IGBT开关管分别为V1、V2，VD1、VD2为两个二极管，L1为前级Boost电路电感，C1为中间级电容(即前级Boost变换器电容)，U₂为中间级电容电压，L2为后级Boost电路电感，C2为输出侧电容(即后级Boost变换器电容)，R直流负载。u_s，i_s分别为输入电压、电流，u_dc，i_dc分别为输出电压、电流。

双级Boost变换器的开关管采用PWM调制，根据基尔霍夫定律与相应电路结构，可以建立双级Boost变换器离散预测模型，具体包括以下步骤：

(1)单管非隔离型Boost电路是一个升压斩波电路，电路拓扑如图2所示。根据电路工作时，电感电流是否存在为0的情形，将变换器分为两种工作模型。若在工作期间内，电感中的电流以及存储电能降为零，则称为电感电流不连续工作模式；否则称为电感电流连续工作模式。在直流微电网中，大部分Boost电路稳定运行时均处于电感电流连续工作模式。

当开关管V开通时，电路等效为图3，此时电源u_s向电感L充电，同时电容C上的电压向负载R供电，电感L上电流的变化率为

电容C上电压的变化率为

i_s为输入电流，u_s为输入电压，u_out为输出电压，i₀为输出电流。

当开关管V关断时，电路等效为图4，此时u_s和L共同向电容C充电并向负载R提供能量，电感L上电流的变化率为

电容C上电压的变化率为

如果将m记为开关管开通关断状态函数，开通为1，关断为0，那么上述两种运行状态的式子可以整合为同一个数学模型

(2)为了便于建立双级Boost离散预测模型，记m₁为开关管V1的开关状态，m₂为开关管V2的开关状态。将各级Boost电路对应的输入输出代入上式，可以得到双级Boost电路的数学模型如下：

(3)根据双级Boost变换器的数学模型，将其离散化

其中T_s表示控制器的控制周期，并假设控制周期T_s极短；

本发明设计的新型MPC控制算法，在算法中重新定义开关函数，将开关管的PWM调制波占空比设为开关函数，使得原本只能取定值的m₁、m₂拓展为占空比n₁、n₂。然后取消相应电路参数预测值以及后续代价函数的计算，而是直接根据电路控制目标得出电压电流参考值，将参考值作为k+1时刻电路需达到的相应电路参数预测值，从而计算出在k时刻，控制器为使k+1时刻的相应电路参数值与参考值相等而给出的受控开关管占空比n。将占空比n₁、n₂设为开关函数后，离散化的双级Boost电路的数学模型表示为

(4)根据设计的预测直接目标控制算法，当电路出口侧负载骤升时，为保持出口电压稳定，将出口电压的参考值作为k+1时刻的预测值代入上述式子得

由上式即可计算出k时刻为使k+1时刻的出口电压实际值与参考值相等的开关管占空比。

(5)电路为保持出口电压稳定所需功率P_ref分为两部分，一部分为负载所需功率

其中当电路负载R发生投切时，可通过R_dc(k)/_dc(k)计算得到。另一部分为电路储能元件上需提供的功率P_o。电路储能元件所需功率与设置的电路稳态工作变比有关，通过给定中间级电容电压的参考值U_{2_ref}，可以计算k时刻所需P_o大致为

由于电路存在储能元件，所以功率的传递会有一定的延时，在仿真实验中发现增加一个与P_o相关的比例系数α，控制效果会更好。即P_ref＝P_out+α·P_o，α通常可以取值为(1,100)。得到参考功率后，就可以直接得出计算直流稳压源需提供的参考电流，

i_{s_ref}＝P_ref/u_s(k) (33)

同样的，将i_{s_ref}作为k+1时刻的电流预测值代入式(26)即可计算出k时刻为使k+1时刻的输入电流实际值与参考值相等的开关管占空比。

由此，推倒得到了本发明双级Boost变换器的控制方法。本方法实现了负载投切时，动态电压快速恢复的控制效果。

为体现该双级Boost变换器在新型MPC控制算法下的动态恢复效果，在仿真中设置了0.2秒时直流负载由10Ω骤升为7.5Ω，用以模拟负载投切的情况。图5给出了出口电压的仿真结果，其中***在0.1秒时介入控制算法，图6、7为出口电压动态恢复过程的细节放大图。可以看出，再经过0.1秒，在0.3秒时负载恢复至10Ω，本方法实现了双级Boost变换器在负载突变时快速动态恢复过程。

Claims (1)

1.适用于直流微电网的双级Boost变换器的新型MPC控制方法，其特征在于，所述双级Boost变换器由两级Boost电路级联构成。所述控制方法包括如下步骤：

(1)对双级Boost变换器中的输入电压u_s(k)，输入电流i_s(k)，中间级电容电压u₂(k)，后级电感电流i_L2(k)，输出电压u_dc(k)，输出电流i_dc(k)进行实时采样，其中，k表示采样时刻。

(2)实时计算电路负载R、后级Boost电路开关管的占空比n₂和前级Boost电路开关管的占空比n₁：

R＝u_dc(k)/i_dc(k)

其中，C₂为后级Boost电路出口侧电容，u_{dc_ref}表示k时刻出口电压u_dc的参考值，T_s表示控制周期，L₁为前级Boost电路电感，i_{s_ref}表示k时刻输入电流i_s的参考值。

其中：

i_{s_ref}＝P_ref/u_s(k)

u_s(k)为k时刻输入电压。P_ref为保持出口电压稳定所需功率：

P_ref＝P_out+α·P_o

α为比例系数，取值为(1，100)。

为中间级电容电压参考值。

(3)将计算得到的开关函数n₁，n₂发送给PWM波调制模块，所述调制模块再根据开关函数调制出相应的开关管PWM波开关信号完成对该双级Boost变换器的控制。

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