[发明专利]针对交错并联型双向DC-DC变换器的复合模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种针对交错并联型双向DC‑DC变换器的复合模型预测控制方法，首先建立交错并联型双向DC‑DC变换器系统的动态数学模型，利用系统集总扰动项成扩张系统，再设计广义比例积分观测器，对系统集总扰动项及导数进行观测，然后利用泰勒展开式对系统集总扰动项在未来时刻的变化趋势进行预测，得到系统预测输出值和参考轨迹，最后构建系统的目标优化函数并最小化，求解出系统的控制输入序列，并将控制输入序列的第一个值作为当前时刻的控制量。本发明方法可实现模型预测控制的无偏差跟踪，并且在变换器较宽的工作范围内，都能保持最优化的控制性能。相比已经存在的模型预测控制器，本发具有更长的预测域，控制系统稳定性显著提高。

技术领域

本发明属于直流变换器控制技术领域，具体涉及一种复合模型预测控制方法。

背景技术

随着传统化石能源的逐渐枯竭，新能源发电系统的开发和利用成为了当今世界的重要课题。在新能源发电系统中，双向DC-DC变换器结合储能装置可以调节系统发电量与负载用电量之间的不匹配现象，从而提高系统能量利用效率。交错并联型双向DC-DC变换器因其高功率密度、低电压电流应力的特点被广泛应用于新能源发电系统中。双向DC-DC变换器主要用于维持直流母线电压的稳定，进而保证系统正常运行。然而，变换器输出负载的时变特性、功率流向切换以及元器件参数的不确定性都会影响变换器的输出性能，造成系统母线电压的波动。因此，需要对双向DC-DC变换器的扰动抑制方法以及鲁棒控制策略进行深入研究。

传统的线性控制器或者已有的一些非线性控制器主要考虑系统在最恶劣情况下的抗扰动性能，这在一定程度上降低了控制器在系统其他工况下的控制性能。模型预测控制(MPC)与以往的控制方法不同，采用滚动优化的方式寻求系统最优解，凭借其突出的跟踪性能以及抗扰动性已经被应用到工业控制之中。

S.Kim等人在文献1“S.Kim,C.R.Park,J.Kim and Y.I.Lee.A Stabilizing ModelPredictive Controller for Voltage Regulation of a DC/DC Boost Converter,inIEEE Transactions on Control Systems Technology,vol.22,no.5,pp.2016-2023,Sept.2014.”利用模型预测控制设计了电流内环控制器，用于调节电感电流至给定值，但是此类方法需要建立精确的系统模型，但在实际工业应用中，考虑一个复杂系统的所有细节并为其构建精确的数学模型是困难的，否则将会存在由建模误差引起的控制偏差。

Xu Q等人在文献2“Xu Q,Yan Y,Zhang C,et al.An Offset-Free CompositeModel Predictive Control Strategy for DC/DC Buck Converter Feeding ConstantPower Loads,in IEEE Transactions on Power Electronics,2020.”将扰动观测器与模型预测控制相结合，设计了滑模观测器对系统集总扰动进行估计，并利用扰动观测量对系统的最优控制律进行补偿，实现了无偏差模型预测控制。但是该算法仅实现了系统的单步预测控制，控制系统对于时变扰动的鲁棒性较低。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种针对交错并联型双向DC-DC变换器的复合模型预测控制方法，首先建立交错并联型双向DC-DC变换器系统的动态数学模型，利用系统集总扰动项成扩张系统，再设计广义比例积分观测器，对系统集总扰动项及导数进行观测，然后利用泰勒展开式对系统集总扰动项在未来时刻的变化趋势进行预测，得到系统预测输出值和参考轨迹，最后构建系统的目标优化函数并最小化，求解出系统的控制输入序列，并将控制输入序列的第一个值作为当前时刻的控制量。本发明方法可实现模型预测控制的无偏差跟踪，并且在变换器较宽的工作范围内，都能保持最优化的控制性能。相比已经存在的模型预测控制器，本发具有更长的预测域，控制系统稳定性显著提高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：