CN111313699A - 基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备 - Google Patents

基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备 Download PDF

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CN111313699A CN202010193278.0A CN202010193278A CN111313699A CN 111313699 A CN111313699 A CN 111313699A CN 202010193278 A CN202010193278 A CN 202010193278A CN 111313699 A CN111313699 A CN 111313699A
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Abstract

本发明属于电源转换器控制领域，公开了一种基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备，包括步骤1：建立非线性电源转换器系统模型；步骤2：根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件；步骤3：选取满足步骤2中5个约束条件的期望的互联和阻尼矩阵，并通过期望的互联和阻尼矩阵求解第一个约束条件得到控制器，通过控制器控制非线性电源转换器。增加期望的互联和阻尼矩阵的自由度，极大的降低了偏微分方程的求解难度，使得设计出的控制器形式更为简单，易于实际生产中的实现，与现有控制器进行对比，控制信号能耗较小，小控制信号意味着较低的能耗，进而提高了系统的经济性并且具有较好的市场空间。

Description

基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备
技术领域
本发明属于电源转换器控制领域，尤其涉及一种基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备。
背景技术
在现代电力电子设备中，电源转换器为电力设备供应稳定高效的电力能源，属于电力电子设备的核心设备。随着现代通信及电力终端的发展要求，电源转换技术已经成为新能源、智能电网等领域的关键技术，稳定可控的电源转换技术更是受到人们的广泛关注，电源转换控制技术更是学术界和科技界的热点话题。
电源转换器控制技术中通常采用互联与阻尼配置无源控制(interconnectionand damping assignment passivity-based control，IDA-PBC)方法，IDA-PBC为一种有效的非线性控制方法。但是，IDA-PBC方法对于偏微分方程(partial differentialequation，PDE)的求解难度大，设计出的电源转换器的控制器形式复杂且不易实现；其次，IDA-PBC仅适用于基于哈密尔顿模型的系统，其应用范围相对较小。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术中IDA-PBC方法设计出的电源转换器的控制器形式复杂且不易实现，同时应用范围相对较小的缺点，提供一种基于无源性的非线性电源转换器控制方法、系统及设备。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明第一方面，一种基于无源性的非线性电源转换器控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立非线性电源转换器系统模型
Figure BDA0002416688690000021
Figure BDA0002416688690000022
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure BDA0002416688690000023
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm；
步骤2：根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：(▽[Q(x,u)f(x,u)])*＞0
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，下标*表示x取值为稳定平衡点x*对应的函数值；
步骤3：选取满足步骤2中5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
本发明基于无源性的非线性电源转换器控制方法进一步的改进在于：
所述非线性电源转换器为DC-DC电源转换器。
所述步骤3中选取的Q(x,u)能够使得约束条件(i)转化为常微分方程。
还包括：步骤4：将Q(x,u)f(x,u)的积分作为非线性电源转换器系统模型的能量函数，通过能量函数验证控制器u的稳定性。
本发明第二方面，一种基于无源性的非线性电源转换器控制系统，包括：
模型建立模块，用于建立非线性电源转换器系统模型
Figure BDA0002416688690000024
Figure BDA0002416688690000025
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure BDA0002416688690000026
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm；
约束条件生成模块，用于根据模型建立模块建立的非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：(▽[Q(x,u)f(x,u)])*＞0
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，下标*表示x取值为稳定平衡点x*对应的函数值；
以及控制器求解模块，用于选取满足约束条件生成模块中得到的5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
本发明第三方面，一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述基于无源性的非线性电源转换器控制方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
通过根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到新的约束条件，首先仅生成控制器的偏微分方程，其次，期望的互联和阻尼矩阵明确依赖于控制器，使得可以自由选择期望的互联和阻尼矩阵，期望的互联和阻尼矩阵成为一个取决于对称性和秩条件的可自由设计参数，增加期望的互联和阻尼矩阵的自由度，极大的降低了偏微分方程的求解难度，进一步降低控制器求解难度；采用该方法设计出的控制器形式更为简单，易于实际生产中的实现；其次，与现有控制器进行对比试验，本发明控制器的控制信号能耗较小，小控制信号意味着较低的能耗，进而提高了系统的经济性并且具有较好的市场空间。
附图说明
图1是本发明的控制方法在DC-DC电源转换器中应用的示意图；
图2是本发明实施例的小视角下估计吸引域(灰色区域)下系统轨迹示意图；
图3是本发明实施例的大视角下估计吸引域(灰色区域)下系统轨迹示意图；
图4是本发明的控制方法与现有IDA-PBC方法的控制信号示意图；
图5是本发明的控制方法与现有IDA-PBC方法的输出电压示意图；
图6是本发明提出的控制器在各种调谐增益下的控制信号示意图；
图7是本发明提出的控制器在各种调谐增益下的输出电压示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明基于无源性的非线性电源转换器控制方法，包括以下步骤：
步骤1：建立非线性电源转换器系统模型
Figure BDA0002416688690000051
Figure BDA0002416688690000052
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure BDA0002416688690000053
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm。
步骤2：根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：(▽[Q(x,u)f(x,u)])*＞0
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，
Figure BDA0002416688690000054
表示稳定平衡点x*的
Figure BDA0002416688690000055
值。
其中，条件(i)～(iii)保证控制器u的非线性电源转换器系统
Figure BDA0002416688690000059
可以表示为：
Figure BDA0002416688690000056
其中，P(x)用于表示能量函数，为Q(x,u)f(x,u)的积分。
条件(iv)可确保平衡点x*是闭环系统中的平衡点，条件(v)可确保平衡点x*在李雅普诺夫意义上是稳定的。根据不变集定理，若
Figure BDA0002416688690000057
中包含的最大不变集合等于{x*}，则该平衡点x*是渐近稳定的。证明过程为：Poincare引理保证了以下等价关系：
Figure BDA0002416688690000058
调用条件(ii)，我们得到闭环矢量场
Figure BDA0002416688690000061
Figure BDA0002416688690000062
沿着非线性电源转换器系统的轨迹求P的倒数会得到以下结果：
Figure BDA0002416688690000063
其中，不等号表述的关系是根据条件(iii)得出的，条件(iv)确保平衡点x*是非线性电源转换器系统的平衡点，且鉴于条件(ii)，(▽P(x))*＝0，而条件(iv)保证(▽2P(x))*＞0，因此P(x)正定。
步骤3：选取满足上述5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
本发明还公开了，一种非线性电源转换器控制系统，包括模型建立模块、约束条件生成模块以及控制器求解模块。
模型建立模块，用于建立非线性电源转换器系统模型
Figure BDA0002416688690000064
Figure BDA0002416688690000065
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure BDA0002416688690000066
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm。
约束条件生成模块，用于根据模型建立模块建立的非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：(▽[Q(x,u)f(x,u)])*＞0
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，下标*表示x取值为稳定平衡点x*对应的函数值。
控制器求解模块，用于选取满足约束条件生成模块中得到的5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
本发明非线性电源转换器控制方法可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本发明非线性电源转换器控制方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
基于这样的理解，在示例性实施例中，还提供了一种计算机可读存储介质，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于该计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。其中，所述计算机存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或数据存储设备，包括但不限于磁性存储器(例如软盘、硬盘、磁带、磁光盘(MO)等)、光学存储器(例如CD、DVD、BD、HVD等)、以及半导体存储器(例如ROM、EPROM、EEPROM、非易失性存储器(NANDFLASH)、固态硬盘(SSD))等。
在示例性实施例中，还提供计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述基于无源性的非线性电源转换器控制方法的步骤。处理器可能是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor、DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
本实施例中以DC-DC电源转换器为例，具体过程如下。
步骤1：构建DC-DC电源转换器的等效电路模型，如下所示：
Figure BDA0002416688690000081
Figure BDA0002416688690000082
其中，x1、x2都位于第一象限，x1是电感磁通量，x2是电容器中的电荷量，u是连续控制信号并且在0和1之间取值，它表示DC-DC电源转换器中开关位置的脉冲宽度调制(PWM)电路的转换速率，正常数C、L、R和E分别是电容值、电感值、负载电阻值和电压源值。
其中，DC-DC电源转换器应满足的控制约束为：R1、x2是唯一可测量的信号；R2、系统状态的每个元素都处于第一象限；R3、负载电阻R可为任意大小。
对DC-DC电源转换器进行控制的控制目标是将电容器的输出电压
Figure BDA0002416688690000091
调节至所需的恒定值V*＞E，从而满足上述控制约束R1～R3，将输出电压
Figure BDA0002416688690000092
设置为所需的恒定值V*，可以计算出想要的稳定平衡点x*：
Figure BDA0002416688690000093
步骤2：根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：(▽[Q(x,u)f(x,u)])*＞0
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，
Figure BDA0002416688690000094
表示稳定平衡点x*的
Figure BDA0002416688690000095
值。基于DC-DC电源转换器的等效电路模型，对于所有负载电阻R>0，存在满足上述5个约束条件的期望的互联和阻尼矩阵Q(x,u)：
Figure BDA0002416688690000096
步骤3：根据步骤2中的期望的互联和阻尼矩阵Q(x,u)与约束条件(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T，通过计算得到控制器
Figure BDA0002416688690000097
其中，k＞3E，可以保证上述静态反馈的控制器的有效性，即DC-DC电源转换器闭环系统的稳定平衡点
Figure BDA0002416688690000101
在李雅普诺夫意义上是渐进稳定的。
此外，闭环系统满足以下性能规格，能够满足DC-DC电源转换器应满足的控制约束：
P1：保证x1和x2状态轨迹保持在第一象限(R2＞0)的估计吸引域Θ如下：
Figure BDA0002416688690000102
也就是说，对于所有的x(0)∈Θ，有
Figure BDA0002416688690000103
并且limt→∞x(t)＝x*。
P2：如果
Figure BDA0002416688690000104
存在足够小的常量γ＞0，使得对于所有满足初始条件|x(0)-x*|≤γ，对于所有k＞3E，输出电压均呈指数收敛至所需值，而不会出现过冲。此外，如果
Figure BDA0002416688690000105
只要满足如下条件，结果仍是相同的：
Figure BDA0002416688690000106
下面验证Q(x,u):Rn×Rm→Rn×n和u:Rn→Rm的存在条件。
根据DC-DC电源转换器的等效电路模型和上述的控制方案，可计算出以下内容：
Figure BDA0002416688690000107
经过简单的化简计算，条件(i)：▽[Q(x,u)f(x,u)]＝(▽[Q(x,u)f(x,u)])T被简化为简单的常微分方程
Figure BDA0002416688690000108
Figure BDA0002416688690000109
其中，(·)′表示微分，
Figure BDA00024166886900001010
的解满足：
Figure BDA0002416688690000111
其中，m为常量，令
Figure BDA0002416688690000112
可以得到
Figure BDA0002416688690000113
这保证了条件(iv)：f(x,u)*＝0成立。
计算可得：
Figure BDA0002416688690000114
Figure BDA0002416688690000115
因此，满足(ii)：det{Q(x,u)}≠0和(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0。
从闭环矢量场的表达式
Figure BDA0002416688690000116
可以看出，仅需确保(▽2P(x))*＞0，则满足(▽2P(x))*＞0。
将期望的互联和阻尼矩阵Q(x,u)和控制器
Figure BDA0002416688690000117
带入条件(v)，可以得到：
Figure BDA0002416688690000118
Figure BDA0002416688690000119
因此，若k＞3E，就可满足
Figure BDA00024166886900001110
这证明了稳定平衡点x*的稳定性。此外如上所述，Q(x,u)+QT(x,u)≤0满足严格的不等式关系，所以保证了稳定平衡点x*渐近稳定性。
本发明控制方法下非线性电源转换器拥有的性能如下：
通过▽P(x)的积分可以计算出Lyapunov函数P(x)，在R2＞0时具有正定的Hessian。所以，P(x)无限增大，并且子集合{P(x)≤c}覆盖了第一象限，这些子集提供了吸引域的估算，选择在x2*处与x1＝0相交的点，从图2可以看出其轨迹在此点处相切，稳定平衡点x*的估计吸引域为
Figure BDA0002416688690000121
即对于所有的x(0)∈Θ，有
Figure BDA0002416688690000124
并且limt→∞x(t)＝x*。
本实施例中DC-DC电源转换器的各部分参数设定为L＝20mH，C＝20μF，E＝15V，R＝30Ω以及V*＝37.5V，初始条件为x1(0)＝0A和x2(0)＝15A。控制器参数设置为调谐增益k＝500。
参见图2和3，为较小和较大视角下有控制器的DC-DC电源转换器系统模型的相图、一系列根轨迹、一些Lyapunov函数P(x)的一些水平集和估计的吸引域Θ，其中，纵坐标x1单位为安培(A)，横坐标x2单位为伏特(V)，可见吸引域的实际范围比其预测要大得多，远远超过指标要求。
为了更好的说明本发明控制方法的效果，与现有的控制方案比较说明。其中，现有的控制方案的控制器
Figure BDA0002416688690000122
为：
Figure BDA0002416688690000123
调谐增益k＝500，α＝0.1767。
参见图4和5，为两个控制器的控制信号和输出电压的瞬态响应过程的对比，其中，图4的纵坐标是常数，横坐标时间t单位为秒；图5的纵坐标单位是V，横坐标时间t单位为秒。可以看出，本发明控制方法的控制器在控制信号远小于传统控制器的情况下达到了与现有控制器相似的输出电压的分布曲线，在实际应用中，小控制信号意味着较低的能耗，因此，本发明设计的控制方法大幅提升了电源转换器的经济性和环境友好性。
参见图6和7，分别说明了调谐增益k对输出电压和控制信号的影响，其中，图6的纵坐标是常数，横坐标时间t单位为秒；图7的纵坐标单位是V，横坐标时间t单位为秒。由图可得，对于较小的增益k，控制信号采用较大的值；对于较大的增益k，控制采用较小的值，而输出电压信号实际上不受影响，保证控制的稳定性。
本发明非线性电源转换器控制方法，通过根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到新的约束条件，首先仅生成控制器的偏微分方程，其次，期望的互联和阻尼矩阵明确依赖于控制器，使得可以自由选择期望的互联和阻尼矩阵，期望的互联和阻尼矩阵成为一个取决于对称性和秩条件的可自由设计参数，增加期望的互联和阻尼矩阵的自由度，极大的降低了偏微分方程的求解难度，甚至合理的自由设计会使得矢量场可积分，进一步降低求解难度；采用该方法设计出的控制器形式更为简单，易于实际生产中的实现；其次，该控制器的控制信号能耗较小，提高了系统的经济性还具有较好的市场空间。
以上内容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，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于无源性的非线性电源转换器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立非线性电源转换器系统模型
Figure FDA0002416688680000011
Figure FDA0002416688680000012
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure FDA0002416688680000013
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm；
步骤2：根据非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：
Figure FDA0002416688680000014
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：
Figure FDA0002416688680000015
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，下标*表示x取值为稳定平衡点x*对应的函数值；
步骤3：选取满足步骤2中5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
2.根据权利要求1所述的基于无源性的非线性电源转换器控制方法，其特征在于，所述非线性电源转换器为DC-DC电源转换器。
3.根据权利要求1所述的基于无源性的非线性电源转换器控制方法，其特征在于，所述步骤3中选取的Q(x,u)能够使得约束条件(i)转化为常微分方程。
4.根据权利要求1所述的基于无源性的非线性电源转换器控制方法，其特征在于，还包括：
步骤4：将Q(x,u)f(x,u)的积分作为非线性电源转换器系统模型的能量函数，通过能量函数验证控制器u的稳定性。
5.一种基于无源性的非线性电源转换器控制系统，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立非线性电源转换器系统模型
Figure FDA0002416688680000021
Figure FDA0002416688680000022
其中，f(x,u):Rn×Rm→Rn，其稳定平衡点为x*∈Rn，
Figure FDA0002416688680000023
表示非线性电源转换器系统的控制器，u:Rn→Rm；
约束条件生成模块，用于根据模型建立模块建立的非线性电源转换器系统模型的无源性要求，得到5个约束条件：
(i)：
Figure FDA0002416688680000024
(ii)：det{Q(x,u)}≠0
(iii)：Q(x,u)+Q(x,u)T≤0
(iv)：f(x,u)*＝0
(v)：
Figure FDA0002416688680000025
其中：Q(x,u)表示期望的互联和阻尼矩阵，下标*表示x取值为稳定平衡点x*对应的函数值；
以及控制器求解模块，用于选取满足约束条件生成模块中得到的5个约束条件的Q(x,u)，并通过求解约束条件(i)得到控制器u，通过控制器u控制非线性电源转换器。
6.一种计算机设备，其特征在于，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至4任一项所述方法的步骤。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305330A (zh) * 2005-11-11 2008-11-12 L&L工程公司 用于开关电源的非线性控制器
US20170271991A1 (en) * 2016-03-17 2017-09-21 Rohm Co., Ltd. Comparator circuit, power supply control ic, and switching power supply device
CN109639162A (zh) * 2019-01-22 2019-04-16 武汉科技大学 一种基于ida-pbc算法的改进lcl型三相vsr的无源控制系统及方法
CN110601201A (zh) * 2019-08-23 2019-12-20 国网福建省电力有限公司经济技术研究院 一种基于直接交-交换流器h-mmc的upfc系统及其无源化控制方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101305330A (zh) * 2005-11-11 2008-11-12 L&L工程公司 用于开关电源的非线性控制器
US20170271991A1 (en) * 2016-03-17 2017-09-21 Rohm Co., Ltd. Comparator circuit, power supply control ic, and switching power supply device
CN109639162A (zh) * 2019-01-22 2019-04-16 武汉科技大学 一种基于ida-pbc算法的改进lcl型三相vsr的无源控制系统及方法
CN110601201A (zh) * 2019-08-23 2019-12-20 国网福建省电力有限公司经济技术研究院 一种基于直接交-交换流器h-mmc的upfc系统及其无源化控制方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张萌: "基于无源理论的非线性系统控制", 《浙江大学博士学位论文》 *

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