[发明专利]一种基于负载估计的BUCK变换器的模型预测控制方法

说明书

本发明公开了一种基于负载估计的BUCK变换器的模型预测控制方法，包括：对BUCK变换器的平均状态空间模型进行优化；对输入电压、输出电压和电感电流进行采样，并基于优化后的平均状态空间模型以及采样结果对负载电流进行估计；考虑采样以及计算时延对系统稳定性的影响，并通过状态估计进行补偿；并通过Kalman滤波降低环境噪声对状态估计的影响；采用单闭环的控制结构，根据状态估计的结果以及电压给定生成电流参考指令，并根据系统的状态空间模型以及参考电流计算最优占空比。本发明解决了传统的双闭环PI控制结构带宽受限的问题，同时在无负载电流传感器的条件下对负载电流的变化实现了快速跟踪，极大提高了系统的动态性能和抗扰能力。

技术领域

本发明属于电力电子的开关电源技术领域，更具体地，涉及一种基于负载估计的具有高动态响应能力的BUCK变换器的模型预测控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的进步以及第三代半导体器件的逐渐普及，促进了DC-DC变换器在开关频率、尺寸以及功率密度等方面性能的提升。在大力倡导绿色发展的背景下，DC-DC变换器在储能系统、航空航天、直流微网、可再生能源、新能源汽车等领域的需求也越来越大，与此同时，对DC-DC变换器的各项性能指标也提出了更高的要求。

然而传统的基于PI调节器的控制策略存在相位滞后的特点，限制了控制环路的带宽，降低了系统的动态性能，这一缺点严重制约了变换器在宽输入电压以及负载频繁变化等场合的运用。

针对传统PI控制动态性能较差的问题，本发明针对BUCK变换器提出了一种基于负载估计的具有高动态响应能力的模型预测控制方法。

发明内容

针对传统PI控制策略在动态性能上的不足，本发明针对BUCK变换器提出了一种无负载电流传感器的模型预测控制方法，该方法旨在提升BUCK变换器的动态性能与抗扰能力，缩短在输入电压以及负载变化时的动态恢复时间。

为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种基于负载估计的BUCK变换器的模型预测控制方法，包括以下步骤：

S1，采用单周期内积分的方式对BUCK变换器连续时间状态方程进行离散，得到优化后的平均状态空间模型；

S2，对输入电压、输出电压和电感电流进行采样并滤波，将滤波结果代入所述优化后的平均状态空间模型进行求解，得到当前开关周期的系统状态估计值；

S3，采用单闭环的控制结构，根据当前开关周期的系统状态估计值以及电压给定生成当前开关周期的电感电流给定值；

S4，以所述当前开关周期的电感电流给定值与下一开关周期的电感电流实际值之间的偏差最小为目标，求解得到当前开关周期的最优占空比。

进一步地，所述S1中，优化后的平均状态空间模型表示为：

其中，v_o(k+1)表示第k+1个开关周期的输出电压，i_L(k)表示第k个开关周期的电感电流，C表示输出滤波电容，T_s表示开关周期，L表示电感，R_L表示电感直流电阻，i_o(k)表示第k个开关周期的负载电流，v_i(k)表示第k个开关周期的输入电压，d(k)表示第k个开关周期的占空比。

进一步地，所述S3中，第k个开关周期的电感电流给定值iL_ref(k)为：

iL_MIN≤iL_ref(k)≤iL_MAX

V_refadj(k)＝V_refadj(k-1)+K_I(k)(V_ref-v_o(k))