带恒功率负载Buck变换器基于NDOB的复合无源控制方法及装置与流程

本发明涉及变换器控制，尤其是涉及一种带恒功率负载的buck变换器基于ndob的复合无源控制方法。

背景技术：

1、近年来，随着电力电子技术的发展，dc-dc变换器经常用于电能变换、直流电机驱动、直流微电网中，作为功率转换最关键的部分之一，而在直流微电网中对母线电压的稳定性与精度有着极高的要求。而负载的多样性与随机性会对直流母线电压造成一定影响，特别是恒功率负载的负阻抗特性会导致变换器循环振荡，传统的线性控制并不能解决恒功率问题。

2、而通过无源控制注入虚拟阻尼保证电感与电容中的能量耗散，保证系统的无源性，并且无源控制器的设计满足李雅普诺夫稳定性条件，使得输出电压能追踪理想输出电压。理论上buck变换器在无源控制器作用下，可以达到渐进收敛至理想值，但由于负载的波动性以及系统的集总不确定性扰动会导致变换器输出电压会产生电压偏差。因此需要设计一种扩展非线性扰动观测器的复合无源控制实现buck变换器的控制。

技术实现思路

1、本发明主要是解决了现有buck变换器无源控制下存在输出电压产生电压偏差的问题，提供了一种带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法及装置。

2、本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，包括以下步骤：

3、s1.建立带恒功率负载为基础的buck变换器模型，得到系统状态空间方程；

4、s2.基于系统状态空间方程，通过能量整形与阻尼注入两个阶段得到带恒功率的buck变换器的无源控制的主控制率；

5、s3.基于无源控制基础，考虑外部及集总不确定性干扰情况，引入非线性扰动观测器，得到各种扰动情况下补偿控制率；

6、s4.根据无源控制的主控制率和补偿控制率得到基于扩展非线性扰动观测器的复合无源控制率；

7、s5.将复合无源控制率经过pwm斩波处理产生pwm波，控制dc-dc变换器输出电压。

8、本发明将无源控制与扩展非线性扰动观测器环节结合在一起引入到带恒功率负载buck变换器控制中，使用无源控制器利用采集到的信息得到主控制率，再通过扩展非线性扰动观测器环节产生补偿控制率来消除系统的不确定扰动，两者相加得到基于扩展非线性扰动观测器的复合无源控制器的控制率，使得系统发生扰动时，带恒功率负载的buck变换器仍能输出稳定电压，且基于扩展非线性扰动观测器的抗干扰能力与动态性能，具有很好的应用价值。

9、作为一种优选方案，所述步骤s1具体过程包括：

10、选取变换器电感电流il和电容电压vo作为状态变量，根据对开关管导通与关断两种工作状态下的系统方程进行加权计算，得到系统状态空间方程，即得到状态空间模型。设变换器工作在ccm模式下，占空比为u，得到状态空间方程为：

11、

12、其中，c、l分别为buck变换器的电容与电感，e为变换器输入电压，r为电阻性负载，pcpl为恒功率负载功率，字母上·为对相应的参数求导；

13、将上式简化为矩阵形式：

14、

15、式中，

16、作为一种优选方案，所述步骤s2具体过程包括：

17、能量整形，令x*为期望值，为系统误差，代入矩阵形式状态空间方程，得到：

18、

19、阻尼注入，将虚拟阻尼矩阵注入上式，得到：

20、

21、其中，r1d为电感串联虚拟阻尼电阻，r2d为电容并联虚拟阻尼电阻，通过选取电感串联虚拟电阻足够大以及电容并联虚拟电阻足够小，可确保上式方程是完全无源的，符合李雅普诺夫方程稳定性，将上式写为：

22、

23、推出无源控制的主控制率u为：

24、

25、其中，vo*为vo的期望值。

26、作为一种优选方案，所述步骤s3具体过程包括：

27、针对直流微电网的扰动表示为：

28、

29、则用于估计系统扰动的扩展非线性扰动观测器设计为：

30、

31、化简得到

32、d＝∫(-l11(v0+d)-l12(v0+d)+l12il)dt+l11v0

33、其中d为扰动补偿控制率，l11、l12为非线性增益。

34、作为一种优选方案，所述步骤s4具体过程包括：

35、将得到的扰动补偿控制率d与无源控制的主控制率u相加，得到总的复合无源控制率u*：

36、

37、一种带恒功率负载的buck变换器基于ndob的复合无源控制装置，包括buck变换器、无源控制器、扩展非线性扰动观测器、pwm斩波器，buck变换器包括恒功率负载、可控开关管，恒功率负载连接在buck变换器输出端正负极之间，扩展非线性扰动观测器连接无源控制器，无源控制器连接pwm斩波器，pwm斩波器连接至可控开关管控制端，扩展非线性扰动观测器、无源控制器接收buck变换器电感电流和电容电压。

38、buck变换器基本形式电路由分布式电源、可控开关、续流二极管、电容、电感、电阻性负载构成，在buck变换器输出端正负极之间还连接有恒功率负载，形成了具有恒功率负载的buck变换器。本装置将采集到的buck变换器电感电流、电容电压作为控制参量输入到无源控制与基于非线性扰动观测器的复合无源控制中，即使负载波动的情况下，经控制器运算处理，并通过pwm斩波器生成特定占空比的pwm波控制可控开关管，使输出电压稳定无偏差。

39、因此，本发明的优点是：将无源控制与扩展非线性扰动观测器环节结合在一起引入到带恒功率负载buck变换器控制中，使用无源控制器利用采集到的信息得到主控制率，再通过扩展非线性扰动观测器环节产生补偿控制率来消除系统的不确定扰动，两者相加得到基于扩展非线性扰动观测器的复合无源控制器的控制率，使得系统发生扰动时，带恒功率负载的buck变换器仍能输出稳定电压，且基于扩展非线性扰动观测器的抗干扰能力与动态性能，具有很好的应用价值。

技术特征：

1.一种带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，其特征是所述步骤s1具体过程包括：

3.根据权利要求2所述的带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，其特征是所述步骤s2具体过程包括：

4.根据权利要求3所述的带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，其特征是所述步骤s3具体过程包括：

5.根据权利要求4所述的带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制方法，其特征是所述步骤s4具体过程包括：

6.一种带恒功率负载buck变换器基于ndob的复合无源控制装置，用于实施权利要求1-5任一项中所述的方法，其特征在于：包括buck变换器、无源控制器、扩展非线性扰动观测器、pwm斩波器，buck变换器包括恒功率负载、可控开关管，恒功率负载连接在buck变换器输出端正负极之间，扩展非线性扰动观测器连接无源控制器，无源控制器连接pwm斩波器，pwm斩波器连接至可控开关管控制端，扩展非线性扰动观测器、无源控制器接收buck变换器电感电流和电容电压。

技术总结
本发明一种带恒功率负载Buck变换器基于NDOB的复合无源控制方法及装置，解决了Buck变换器无源控制下存在输出电压产生电压偏差的问题。方法包括建立带恒功率负载为基础的Buck变换器模型，得到系统状态空间方程；通过能量整形与阻尼注入两个阶段得到带恒功率Buck变换器的无源控制的主控制率；考虑外部及集总不确定性干扰情况，引入非线性扰动观测器，得到各种扰动情况下补偿控制率；计算得到基于扩展非线性扰动观测器的复合无源控制率；将复合无源控制率经PWM斩波处理产生PWM波，控制DC‑DC变换器输出电压。本发明使得系统发生扰动时，带恒功率负载Buck变换器仍能输出稳定电压，且基于扩展非线性扰动观测器的抗干扰能力与动态性能，具有很好的应用价值。

技术研发人员：孙先山,蔡金明,王东升,林金伟,纪涛,吴城,张乐,袁海华,何祥龙,沈敏杰,杨旭,温传新
受保护的技术使用者：国网浙江省电力有限公司湖州供电公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/31