CN114070049A - 一种boost变换器功率切换控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种BOOST变换器功率切换控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型；步骤2，设计BOOST变换器功率切换控制器。步骤2中计算当前变换器输入功率值与期望值间误差，通过判定误差符号，直接生成BOOST变换器开关状态，从而实现变换器输入功率控制；方法具有实现简单，响应迅速，无控制参数的特点。实现了BOOST变换器功率状态的直接表达及工作过程的精确描述；切换控制器通过判定系统功率与期望值间的误差状态，直接选择BOOST变换器开关状态，具有无控制参数，控制效果好实现简单，系统响应迅速，无需复杂矢量脉冲宽度调制(PWM)过程的优点。

Description

一种BOOST变换器功率切换控制方法
技术领域
本发明属于电能变换技术领域，具体涉及一种BOOST变换器功率切换控制方法。
背景技术
BOOST变换器因其控制简单，可实现直流电转换的特点，被广泛应用于电能变换领域。特别是被经常应用于太阳能光伏逆变系统中以实现太阳能光伏电池最大功率跟踪控制(Maximum Power Point Tracking，MPPT)。
然而，一方面，由于开关器件的存在，BOOST变换器为典型非线性系统。变换器中开关器件在固定开关状态作用下，系统状态呈连续变化，而开关器件的动作又呈现出离散变化特征。因此，对BOOST变换器的精准建模变得十分困难。传统采用近似化和线性化方法建立的BOOST变换器模型不够准确，很难反应出BOOST变换器的实际电路特征。另一方面，目前常用的BOOST变换器模型状态参数为变换器输出直流电压及电感电流，在应用于诸如光伏电池最大功率跟踪控制等场合时，缺乏对于BOOST变换器功率状态的直接描述。其通过控制BOOST变换器功率开关器件占空比的方式，需要复杂的脉冲矢量调制(PWM)过程，在遇到大信号干扰时控制效果不佳。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明所提方法通过建立BOOST变换器功率切换模型以实现BOOST变换器功率状态的直接表达及工作过程的精确描述。同时，设计切换控制器实现直接调节开关状态以控制BOOST变换器功率的目的。
(二)技术方案
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种BOOST变换器功率切换控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型；
对于BOOST变换器，建立其功率切换模型如下式所示：
Figure BDA0003321865250000021
公式(1)中，BOOST变换器功率为P；流过BOOST变换器电感电流，即输入电流为iL；BOOST变换器开关函数为s，s＝1表示BOOST变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BOOST变换器中功率开关器件断开；BOOST变换器输出滤波电容为C，负载为R；
Figure BDA0003321865250000024
表示功率P随时间t的导数。
步骤2，设计BOOST变换器功率切换控制器
BOOST变换器切换控制器表示为：
Figure BDA0003321865250000022
或
Figure BDA0003321865250000023
公式(2)、(3)中，Pr为BOOST变换器功率期望值。
(三)有益效果
本发明提供了一种BOOST变换器功率切换控制方法。具备以下有益效果：步骤2中计算当前变换器功率值P与期望值Pr间误差，通过判定误差符号，直接生成BOOST变换器开关状态s，从而实现变换器功率控制；本发明实现了BOOST变换器功率状态的直接表达及工作过程的精确描述；切换控制器通过判定系统功率与期望值间的误差状态，直接选择BOOST变换器开关状态，具有无控制参数，控制效果好实现简单，系统响应迅速，无需复杂矢量脉冲宽度调制(PWM)过程的优点。
附图说明
图1为本发明BOOST变换器电路拓扑图；
图2为BOOST变换器功率跟踪期望值仿真波形图；
图3为功率期望值瞬态变化条件下BOOST变换器功率仿真波形图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
如图1-3所示，本发明一种BOOST变换器功率切换控制方法，包括如下步骤：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型；
BOOST变换器拓扑如图1所示，其中BOOST变换器输入直流电压为Uin；电感为L；s为功率开关器件开关函数，s＝1表示BOOST变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BOOST变换器中功率开关器件断开；D为二极管；输出滤波电容为C，负载为R；输出直流电压为Uo。对于图1所示BOOST变换器，建立其功率切换模型如下式所示：
Figure BDA0003321865250000041
公式(1)中，BOOST变换器功率为P；流过BOOST变换器电感电流，即输入电流为iL；
Figure BDA0003321865250000042
表示功率P随时间的导数。
由式(1)可见，通过直接控制BOOST变换器开关状态s，可实现对于BOOST变换器功率P的调节。
步骤2，BOOST变换器功率切换控制器表示为：
为实现通过控制BOOST变换器开关状态s实现变换器输入功率P调节的目的，本发明将不同开关状态s作用时的BOOST变换器视作不同的子系统。通过设计切换控制器实现BOOST变换器开关状态s的直接切换控制，即直接控制s＝1或s＝0可实现BOOST变换器功率P的调节。为保证不同开关状态(子系统)切换时BOOST变换器的稳定性，需对于其切换过程进行稳定性分析。
定义由BOOST变换器输入功率P于BOOST变换器功率期望值Pr间误差所构成的李雅普诺夫函数，如下式所示：
Figure BDA0003321865250000043
式(2)中，
Figure BDA0003321865250000044
为BOOST变换器功率与期望功率间的误差。对(2)式求导可得：
Figure BDA0003321865250000045
由李雅普诺夫稳定性定理可知，对于(2)式李雅普诺夫函数
Figure BDA0003321865250000048
若能保证(3)式
Figure BDA0003321865250000046
则BOOST变换器在不同开关状态s(子系统)下切换稳定。
由(3)式可见，其等式右侧第一项
Figure BDA0003321865250000047
因此，若能保证等式右侧第二项
Figure BDA0003321865250000051
则
Figure BDA0003321865250000052
即满足李雅普诺夫稳定性定理。
当BOOST变换器实际系统功率P大于期望值Pr时，即P-Pr≥0时，
Figure BDA0003321865250000053
条件的满足需保证
Figure BDA0003321865250000054
即保证
Figure BDA0003321865250000055
由功率定义
Figure BDA0003321865250000056
可得，(4)式可转化为(1-s)2P≤Pr。考虑条件P-Pr≥0可得，(4)式的满足需控制开关函数s＝0，即由于当前BOOST变换器实际系统功率P大于期望值Pr，需调节BOOST变换器开关状态s＝0使系统功率P向小于期望功率Pr变化以满足系统稳定性。
同理，当BOOST变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr时，即P-Pr≤0时，
Figure BDA0003321865250000057
条件的满足需保证
Figure BDA0003321865250000058
即保证
(1-s)2P-Pr≥0 (5)
考虑条件P-Pr≤0可得，(5)式的满足需控制开关函数s＝1，即由于当前BOOST变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr，需调节BOOST变换器开关状态s＝1使系统功率P向大于期望功率Pr变化以满足系统稳定性。
综上所述，可得BOOST变换器切换控制器表示为：
Figure BDA0003321865250000059
或
Figure BDA0003321865250000061
仿真及实验验证：
依据上述BOOST变换器功率切换控制方法，搭建Matlab/Simulink仿真模型实现仿真验证。仿真参数如下：BOOST变换器输入电压Uin＝20伏，电感L＝40毫亨，输出滤波电容C＝1000微法，负载电阻R＝15欧姆，期望功率Pr＝150瓦。
图2为BOOST变换器功率仿真波形。如图2可见，BOOST变换器功率快速到达期望值，响应速度快，无稳态误差，无需调整的控制参数，体现出良好的控制效果。
图3为功率期望值瞬态变化条件下BOOST变换器功率仿真波形图。如图3可见，当0.25秒时系统期望功率值Pr由150瓦变化至250瓦时，BOOST变换器功率快速到达新的期望值，响应速度快，无稳态误差，仿真波形无超调，无需调整的控制参数，体现出良好的控制效果。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (1)

1.一种BOOST变换器功率切换控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，建立BOOST变换器功率切换模型；
步骤2，设计BOOST变换器功率切换控制器；
所述步骤1中，建立BOOST变换器功率切换模型如下式所示：
Figure FDA0003321865240000011
公式(1)中，BOOST变换器功率为P；流过BOOST变换器电感电流，即输入电流为iL；BOOST变换器开关函数为s，s＝1表示BOOST变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BOOST变换器中功率开关器件断开；BOOST变换器输出滤波电容为C，负载为R；
Figure FDA0003321865240000012
表示功率P随时间的导数；
所述步骤2中，BOOST变换器功率切换控制器表示为：
Figure FDA0003321865240000013
或
Figure FDA0003321865240000014
公式(2)、(3)中，Pr为BOOST变换器功率期望值。
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