一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法

1.本发明涉及一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，具体涉及一种基于能量整形控制器和动态回归扩展与混合观测器的含恒功率负载升压变换器控制方法，属于电力电子系统控制技术领域。


背景技术：

2.构建资源节约型、环境友好型社会是推进社会主义和谐社会建设的重要内容。因此，为了电力永续发展，电网建设也必将与时俱进，加快调整电网结构。微网系统是一种综合新能源网络化供应与管理的解决方案，可以为主电网引入可再生能源发电系统创造有利条件，实现需求侧管理及能源最大效率利用，降低了化石能源在电源结构中的比例。在微网系统中，电力电子系统作为重要的电能转换和传输的单元。需要指出的是，经常需要将多个电力电子系统以级联的形式相互连接，从而提高电压调节的灵活性。通常将第一级电力电子系统称为前级系统，将后续级联形式的多个变换器和负载组成的系统统称为负载系统。在某个工况下，负载系统上所消耗总功率是一定的，那么对于前级系统来说，其负载功率是恒定的，因此该负载就无法简单描述为一个传统电阻型负载，而更为精确地描述为恒功率负载。当微网系统存在恒功率负载时，若不施加切实有效的补偿措施，负阻尼特性会使得微网系统中母线电压产生低频振荡现象，引发设备损害、控制保护误动作，甚至致使整个电力系统电压崩溃，严重危害用电安全。
3.含恒功率负载的电力电子系统是一个高阶、多变量、强耦合、具有负阻尼特性的非线性系统，同时受到多种类型干扰的影响。这些非线性因素、负阻抗特性、和外界干扰的存在，严重阻碍电力电子系统控制性能的提升，进而影响微网系统的电能质量。而传统线性控制方法，如 pid 控制、线性二次调节器等，因其在本质上很难克服这些因素对系统产生的不利影响，已无法满足在恒功率负载和干扰作用下系统对高精度控制性能的需求。许多先进控制方法的已经成功应用到此系统，如有源阻尼、反馈线性化、滑模控制、能量整形控制，这些方法从不同方面提升了系统的性能。
4.能量整形控制是基于无源性理论的一种非线性控制方法。针对含恒功率负载的电力电子系统非线性控制问题来说，在补偿负阻尼特性时，实际上就是增加系统内部消耗能量的环节，因此基于能量整形的控制方法具有显著优势。文献（杨涛，陆益民，龙梦妮. 基于端口受控哈密顿系统模型的带恒功率负载的 buck 变换器控制. 电源学报，2012，11(05)：15-18.）设计了无源控制器，仿真结果表明所提出方法有效地补偿了负阻尼对系统的影响，实现了输出电压调节控制目标。文献（hassan, m.a., li, e.p.,li, x., et al.:
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adaptive passivity
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based control of dc-dc buck power converter with constant power load in dc microgrid systems’, ieee journal of emerging and selected topics in power electronics, 2019, 7, (3), pp. 2029
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2040）通过设计无源控制器和扰动观测器得到自适应控制方案，实验结果表明输出电压能够跟踪给定值。但是现有大多文献中的控制方案实现都需要功率负载和电感电流的精确信息，未见针对含恒功率负载的
功率变换器无传感控制方法的报道。应该指出，全状态反馈控制方法在一定程度上增加了系统硬件成本，提高了系统的故障率，降低了系统的可靠性。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是：提供一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，该方法结合无源性理论和动态回归扩展与混合技术，实现对含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。
6.本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法，包括如下步骤：步骤1，采用时间平均建模方法，以含恒功率负载升压变换器的输出电压、电感电流为状态量，以占空比信号为控制量建立状态空间模型；步骤2，基于步骤1建立的状态空间模型，结合参数估计技术以及动态回归扩展与混合技术，建立线性回归方程，进而设计梯度下降观测器，实现对电流和负载功率的重构；步骤3，基于无源控制理论，设计能量整形控制器，实现含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。
7.作为本发明的一种优选方案，步骤1所述状态空间模型具体如下：其中，为输出电压，i为电感电流，l、c、p和e分别为电感、电容、负载功率和输入电压，为电感寄生电阻，为控制信号，，为占空比，表示开关管关断，表示开关管闭合，t为时间。
8.作为本发明的一种优选方案，所述步骤2的具体过程如下：步骤21，定义变量为不可测量，为可测量，将步骤1建立的状态空间模型重写为如下模型：其中，，，，，；步骤22，基于动态扩展思想，将状态估计问题转化为如下参数估计问题：其中，为新定义变量，为新定义变量，为跟初始值有关的未知常数；步骤23，基于步骤21得到的模型，动态扩展描述为：
其中，为新定义变量，分别为变量和状态的初始值，为观测器增益；则线性回归方程设计为：其中，表示可测量，为待估计的未知参数向量；步骤24，在步骤23建立的线性回归方程基础上，结合动态回归扩展与混合技术，设计如下梯度下降观测器：其中，为动态扩张量，为微分算子，定义为，为变量的初始值，，，表示行列式，为伴随矩阵，为观测器增益，为新定义函数，参数满足，，且，为观测器输出；则电流和负载功率重构为：其中，分别表示的估计值，为观测器输出的初始值，函数的定义如下：
其中，为任意常数。
9.作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体过程如下：步骤31，定义变量，将步骤1建立的状态空间模型重写为如下端口哈密尔顿形式：其中，，h为能量函数，且，；步骤32，基于无源控制理论，设计能量整形控制器为：其中，为新定义输入量，为常数，且状态由状态经过坐标变换后得到，表示为，，为状态期望值， ，，为期望的输出电压；步骤33，将步骤24得到的估计值代入上述能量整形控制器得到无电流传感控制器为：
其中，，为代入估计值后的能量整形控制律；进而得到无电流传感自适应能量整形控制器为：。
10.本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：1、针对已有大多数局限于线性化的方法，以及已有基于大信号方法未能给出吸引区估计范围的问题，本发明设计含恒功率负载升压变换器的能量整形控制方法，使得闭环系统在大范围是渐近稳定，为系统在变工况和大扰动作用下具有良好运行性能提供了理论方法。
11.2、针对已有方法局限于控制方案实现均需要所有状态量信息的问题，本发明提出基于动态回归扩展与混合理论的状态观测器构造方法，从而避免电力系统使用过多传感器，降低了系统故障率，提高了系统的容错率，为含恒功率负载的电力电子系统无传感控制提供先进技术，具有很强的实用价值。
附图说明
12.图1是本发明含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法的控制框图；图2是本发明的含恒功率负载升压变换器的硬件控制结构；图3是本发明的含恒功率负载升压变换器的实验平台结构；图4是本发明方法作用下选择三组不同观测器增益对应的电感电流观测误差；图5是本发明方法作用下选择三组不同观测器增益对应的负载电压观测值；图6是本发明方法作用下选择三组不同控制器增益对应的电感电流响应曲线；图7是本发明方法作用下选择三组不同控制器增益对应的输出电压响应曲线；图8是本发明方法作用下，期望输出值从25 v变化为30 v，再变化为35 v时的输出电压曲线；图9是本发明方法作用下，负载功率从30 w变化为20w时输出电压曲线。
具体实施方式
13.下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
14.如图1所示是一种含恒功率负载升压变换器的无电流传感控制方法的控制框图，其中包括自适应状态观测器和电压控制器；将观测器的前馈控制和电压反馈控制相结合，进一步提高系统的控制性能，降低故障率。具体步骤如下：步骤（1）：以含恒功率负载升压变换器的输出电压、电感电流为状态量，以占空比信号为控制量，基于时间平均建模方法，建立状态空间模型，其数学模型可描述为：
其中，为输出电压，i为电感电流，l,c,p和e分别为电感、电容、负载功率和输入电压，为电感寄生电阻，为控制信号，，为占空比，t为时间。表示开关管关断，表示开关管闭合。通过输出不同的控制信号u实时控制电感和电容的充放电过程，实现对输出电压的调节。
15.如图2和图3所示，分别为含恒功率负载升压变换器的控制结构和平台结构。利用电压传感器测量系统的输出电压信号，输入到yxspace-1000实时控制器的a/d采集端口，在power pc处理器中运行控制算法运算得到控制量信号，通过pw m输出模块直接输出频率固定占空比可变的控制信号。同时yxspace-1000实时控制器与上位机电脑进行数据传输，显示测得电压波形并实时更改控制器参数。控制器输出的pwm信号经驱动电路模块控制开关管实现对降压变换器的闭环控制。
16.步骤（2）：因使用电流传感器易产生噪声、硬件成本高、故障率高，本发明设计电流观测器实时重构该状态的信息。针对上述平均模型，基于参数估计技术，将状态估计问题转化为参数估计问题。进而，采用动态回归扩展与混合技术，建立线性回归模型。通过设计梯度下降观测器在线估计参数，从而实现对电流和负载功率的重构。具体步骤包括如下：步骤（21）：为了方便建立自适应状态观测器，将系统的数学模型写为可测和不测部分。定义为不可测量，为可测量，则系统的数学模型可重写为：其中，，，，，。应该指出，本发明涉及的设计目的是基于此模型和可测量重构。
17.步骤（22）：基于动态扩展思想，将状态估计问题转化为参数估计问题。首先，可得到如下动态方程：其中，为新定义变量。由上式可知，虽然是未知的，但是可以通过积分变量得到。应该指出，下式是成立的。
18.在上述方程两边求积分，得到：其中。可以看出，为了重构，只需估计跟变量初始值相关的常数。可将上式写为：其中，为新定义变量，为跟初始值有关的未知常数。基于此，将状态估计转化为参数估计问题。
19.步骤（23）：基于步骤（21）得到的模型，建立线性回归方程，动态扩展描述为：
其中，为新定义变量，分别为变量和状态的初始值，为观测器增益；线性回归方程可设计为：其中，表示可测量，为待估计的未知参数向量。
20.步骤（24）：在步骤（23）建立的线性回归方程基础上，结合动态回归扩展与混合技术，设计如下梯度下降观测器：其中，为动态扩张量，为微分算子，定义为，为变量的初始值，，，表示行列式，为伴随矩阵，为观测器增益，为新定义函数，参数满足，，且， 为观测器输出。
21.电流和功率负载的估计值构建为：其中，为观测器输出的初始值，和分别为电感电流和负载功率的估计值，函数由下式定义：
其中，为任意常数。
22.由上式充分条件可知，保证参数估计有限时间收敛的条件不在是传统的可持续激励条件。应该指出，在实际工程系统，可持续激励条件通常很难满足，导致参数估计器无法准备跟踪上实际值，通常措施是在输出端加入幅值很小的正弦信号，从而激励观测器能跟踪上实际参数值，完成参数整定。这不仅降低了系统的控制性能，而且引入了较大的噪声，对于工程系统的运行性能确实不利。而本发明采用动态回归扩展与混合技术，将此持续激励条件弱化为区间激励条件，工程系统很容易满足，无需再加正弦信号就能保证观测器是有效时间收敛的，极大地拓宽了自适应控制的应用场合，具有很强的实用价值。
23.步骤（3）：在步骤（2）设计的动态回归扩展与混合观测器的基础上，针对系统模型，设计能量整形控制器，步骤包括：步骤（31）：这里定义，将变换器数学模型重写为如下端口哈密尔顿形式：其中，。能量函数为，。
24.步骤（32）：考虑如下坐标变换：基于无源控制理论，能量整形控制器可设计为：其中，是新定义输入量，与的关系为，为常数，定义如下：
状态由状态经过坐标变换后得到，表示为，，分别为状态期望值，，，其中为期望的输出电压；步骤（33）：将步骤（2）得到的估计值代入上述控制器得到无电流传感控制器为：其中，，为代入估计值后的能量整形控制律，进而得到无电流传感自适应能量整形控制器为：基于本发明所设计的无传感自适应无源控制器，结合yxspace-1000硬件控制平台，在matlab/simulink软件编写算法，通过sp-1000实时控制器输出pwm信号来控制变换器开关管，实时调节输出电压，具体过程如下：1）基于电压传感器得到含恒功率负载升压变换器的输出电压模拟信号，结合yxspace-1000硬件控制平台的a/d采样模块，将所得到模拟信号转换为数字信号；2）实时控制平台得到反馈电压值，结合电压给定值，通过所设计的无传感自适应能量整形控制算法，实时计算出占空比，并通过调制得到pwm信号；3）利用yxspace-1000硬件平台的i/o接口，将产生的pwm信号输入到变换器开关管，实现含恒功率负载升压变换器的输出电压调节。
25.为了验证本发明提出的基于动态回归扩展与混合观测器和能量整形控制器的含恒功率负载升压变换器控制方案有效性。本发明涉及的实验平台将两个升压变换器以级联的形式的连接，后级变换器作为前级变换器的恒功率负载，模拟微电网系统运行情况。本发明设计的控制方案应用于前级变换器，后级变换器由传统pi控制器进行控制将电压稳定在给定值。所设计的控制算法由研旭公司研发的yx space-1000实时控制平台实现，包括dsp-tms320f28335为核心的控制器、硬件电路板、滑动变阻器、电压传感器。
26.基于图3所示实验平台，将控制算法在matlab/simulink软件编写实现。系统的输
入电压为15v，输出电压参考值为25v，详细电路参数见下表1。为了比较参数对闭环系统的影响，选取多组不同增益进行了仿真。在不同观测器增益下，电感电流观测误差和负载功率观测值如图4、图5所示。由图可以看出，估计值可以在有限时间内跟踪上实际值，且随着参数的增大，观测器跟踪上实际值的时间明显缩短。图6、图7分别展示了在不同控制器增益下闭环系统电感电流和输出电压的响应曲线。由图可以看出本发明所提出方法能保证输出电压能准确地跟踪上给定值。适当提高控制器增益的取值，可以提高收敛速度。
27.表1 含恒功率负载升压变换器电路参数图8是在给定输出值发生阶跃变化时的输出电压曲线，可以看出闭环系统的输出能够快速准确跟踪上参考值的变化。为了验证闭环系统的鲁棒性，考虑系统存在寄生电阻且功率负载从30w阶跃变化为20w，输出电压的曲线如图9所示。可见，存在寄生电阻时系统依然能够稳定，且负载突变的发生仅使输出电压出现了短时小幅的扰动。本发明设计的自适应能量整形无电流传感器控制方法能够很好地抑制功率负载变化对于系统的影响，保证输出电压稳定在参考值，鲁棒性强。
28.本实施过程将基于动态回归扩展与混合观测器和能量整形控制技术应用于含恒功率负载升压变换器系统的控制，验证结果表明本方法具有优良的控制性能。在电感电流和功率负载不可测量情况下，不仅能使得输出电压跟踪上给定值，而且很好的抑制外界干扰对于系统的影响，这明显提高了面向微电网的电力电子控制系统的稳定性和可靠性。应该指出，由于不需电流传感器，系统的容错率得以提升，且故障率下降。
29.以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。