CN115642803A - 一种buck变换器功率切换控制方法 - Google Patents

一种buck变换器功率切换控制方法 Download PDF

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CN115642803A CN202211421646.8A CN202211421646A CN115642803A CN 115642803 A CN115642803 A CN 115642803A CN 202211421646 A CN202211421646 A CN 202211421646A CN 115642803 A CN115642803 A CN 115642803A
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郭鑫
岳蒲恒
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Abstract

本发明公开了一种BUCK变换器功率切换控制方法，包括以下步骤：步骤1，建立BUCK变换器功率切换模型；步骤2，设计BUCK变换器切换规则。能够实现BUCK变换器系统有功功率状态的直接表达及工作过程的精确描述，且所设计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BUCK变换器开关状态的控制方式，具有实现简单，响应迅速，无控制参数，无需复杂矢量脉冲宽度调制(PWM)过程，控制效果好等优点，便于应用于光伏、风能等需求对于系统输入功率进行控制或实现最大功率跟踪控制的新能源发电系统中。

Description

一种BUCK变换器功率切换控制方法
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，具体为一种BUCK变换器功率切换控制方法。
背景技术
BUCK变换器因其电路结构简单，控制容易，可实现直流电能转换的特点，被广泛应用于各类新能源发电、电动汽车、电机调速等电能变换和控制领域。特别是被经常应用于光伏、风能等新能源发电系统中，通过利用BUCK变换器调节实现对于光伏电池或风力发电机输出功率调节及最大功率点跟踪控制的目的。
然而，一方面，由于开关器件的存在，BUCK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BUCK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BUCK变换器模型不够准确，很难反应出BUCK变换器的实际工作过程。另一方面，目前常用的BUCK变换器模型，其状态参数通常为BUCK变换器的电感电流及输出直流电压。在应用于诸如光伏电池最大功率跟踪控制等场合时，目前BUCK变换器基于电感电流和输出直流电压的状态模型无法实现对于BUCK变换器功率状态的直接描述。此外，目前传统基于占空比的BUCK变换器控制方式，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
针对现有技术的不足，本发明所提方法通过建立BUCK变换器功率切换模型以实现BUCK变换器有功功率状态的直接表达及工作过程的精确描述，同时，设计切换规则实现直接调节开关状态以控制BUCK变换器功率的目的。用于解决目前传统BUCK变换器模型不能精确描述变换器工作过程且基于占空比的变换器控制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等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种BUCK变换器功率切换控制方法，包括以下步骤：
步骤1，建立BUCK变换器功率切换模型；
对于BUCK变换器，建立其功率切换模型如式(1)所示：
Figure BDA0003941666040000021
公式(1)中，P为BUCK变换器有功功率值；
Figure BDA0003941666040000022
表示有功功率P随时间的导数；Us为BUCK变换器输入直流电压；Uo为BUCK变换器输出直流电压；s为BUCK变换器开关状态，s＝1表示BUCK变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BUCK变换器中功率开关器件断开；L为电感值。
步骤2，设计BUCK变换器切换规则
设计BUCK变换器切换规则具体为采用以下定理所定义切换规则实现对于BUCK变换器输入功率控制，所提定理具体为：
【定理】针对式(1)BUCK变换器功率切换模型，若采用式(2)的切换规则，则该系统的有功功率P在有限时间内实现对于其期望值Pr的渐进稳定跟踪控制，即系统满足李亚普诺夫渐近稳定性，切换规则定义为：
Figure BDA0003941666040000023
或
Figure BDA0003941666040000031
证明：定义由BUCK变换器有功功率P与BUCK变换器功率期望值Pr间误差所构成的李亚普诺夫函数
Figure BDA0003941666040000032
如下式所示：
Figure BDA0003941666040000033
式(4)中，
Figure BDA0003941666040000034
为BUCK变换器有功功率与期望功率间的误差。对(4)式求导可得：
Figure BDA0003941666040000035
由切换系统理论即李亚普诺夫稳定性定理可知，对于(4)式李亚普诺夫函数
Figure BDA0003941666040000036
若能保证(5)式
Figure BDA0003941666040000037
则BUCK变换器在不同开关状态s的子系统下切换稳定且功率误差
Figure BDA0003941666040000038
为渐进稳定平衡点。
a)当BUCK变换器实际系统功率P大于期望值Pr时，即P-Pr≥0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure BDA0003941666040000039
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us。因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝0时
Figure BDA00039416660400000310
(5)式李亚普诺夫函数导数值半负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
b)当BUCK变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr时，即P-Pr≤0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure BDA00039416660400000311
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us。因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝1时
Figure BDA0003941666040000041
(5)式李亚普诺夫函数导数值负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明提供了一种BUCK变换器功率切换控制方法，具备以下有益效果：步骤1中功率切换模型实现了BUCK变换器有功功率状态直接描述且建模过程无近似化、线性化、平均化等操作，能够精确反应变换器工作过程；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BUCK变换器开关状态s，从而实现变换器功率控制，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。便于应用于光伏、风能等需求对于系统输入功率进行控制或实现最大功率跟踪控制的新能源发电系统中。
附图说明
图1为本发明的BUCK变换器电路拓扑图；
图2为本发明的BUCK变换器有功功率跟踪其期望值变化仿真波形图；
图3为本发明的功率期望值瞬态变化条件下BUCK变换器有功功率仿真波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的本发明附图，对本发明实施例中的本发明技术方案进行清楚、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。
实施例1
本发明一种BUCK变换器功率切换控制方法，包括如下步骤：
步骤1，建立BUCK变换器功率切换模型；
BUCK变换器拓扑如图1所示，其中Us为BUCK变换器输入直流电压；L为电感；s为功率开关器件开关状态，s＝1表示BUCK变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BUCK变换器中功率开关器件断开；D为二极管；C为输出滤波电容，R为负载；Uo为输出直流电压。
对于图1所示BUCK变换器，建立其功率切换模型如下式所示：
Figure BDA0003941666040000051
公式(1)中，P为BUCK变换器有功功率值；
Figure BDA0003941666040000052
表示功率P随时间的导数。
由式(1)可见，不同的开关状态s下BUCK变换器可被视为不同的子系统，通过直接控制BUCK变换器开关状态s，可实现BUCK变换器在不同子系统间切换从而达到对于BUCK变换器有功功率P的调节的目的。
步骤2，设计BUCK变换器切换规则：
切换系统的控制是通过切换规则控制系统在不同子系统间有序切换而实现的。为保证BUCK变换器不同子系统间切换时的稳定性且通过子系统间切换达到系统输入功率状态对于期望值跟踪控制的目的，需对于其切换过程进行稳定性分析并基于稳定性分析结论进行切换规则设计。
因此提出如下定理，具体为：
【定理】针对式(1)BUCK变换器功率切换模型，若采用下式的切换规则，则该系统的有功功率P可在有限时间内实现对于其期望值Pr的渐进稳定跟踪控制，即系统满足李亚普诺夫渐近稳定性。切换规则定义为：
Figure BDA0003941666040000061
或
Figure BDA0003941666040000062
【证明】定义由BUCK变换器有功功率P与BUCK变换器功率期望值Pr间误差所构成的李亚普诺夫函数
Figure BDA0003941666040000063
如下式所示：
Figure BDA0003941666040000064
式(4)中，
Figure BDA0003941666040000065
为BUCK变换器有功功率与期望功率间的误差。对式(4)求导得：
Figure BDA0003941666040000066
由切换系统理论即李亚普诺夫稳定性定理可知，对于式(4)李亚普诺夫函数
Figure BDA0003941666040000067
若能保证式(5)中
Figure BDA0003941666040000068
则BUCK变换器在不同开关状态s的子系统下切换稳定且功率误差
Figure BDA0003941666040000069
为渐进稳定平衡点。
a)当BUCK变换器实际系统功率P大于期望值Pr时，即P-Pr≥0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure BDA0003941666040000071
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us。因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝0时
Figure BDA0003941666040000072
式(5)中李亚普诺夫函数导数值半负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
b)当BUCK变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr时，即P-Pr≤0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure BDA0003941666040000073
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us。因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝1时
Figure BDA0003941666040000074
式(5)中李亚普诺夫函数导数值负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
综上所述，对于式(1)BUCK变换器功率切换模型，可采用如下切换规则实现其有功功率对于期望值的跟踪控制：
Figure BDA0003941666040000075
或
Figure BDA0003941666040000076
仿真及实验验证：
依据上述BUCK变换器功率切换控制方法，搭建Mat l ab/Simu l i nk仿真模型实现仿真验证。仿真参数如下：BUCK变换器输入电压Us＝100伏，电感L＝400微亨，输出滤波电容C＝400微法，负载电阻R＝12.5欧姆，期望有功功率Pr＝150瓦。
图2为BUCK变换器有功功率跟踪其期望值变化仿真波形图，图2中，虚线为BUCK变换器有功功率期望值Pr仿真波形，实线为BUCK变换器有功功率P仿真波形。由图2可见，BUCK变换器有功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为为功率期望值瞬态变化条件下BUCK变换器有功功率仿真波形图，图3中，虚线为BUCK变换器有功功率期望值Pr仿真波形，实线为BUCK变换器有功功率P仿真波形。如图3可见，在0.2秒时将变换器有功功率期望值Pr由150瓦改变为250瓦，BUCK变换器有功功率值快速到达新的期望值，系统响应速度快，无稳态误差，仿真波形无超调，无需调整控制参数，体现出良好的控制效果。
本发明的能够实现BUCK变换器系统有功功率状态的直接表达及工作过程的精确描述，且所设计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BUCK变换器开关状态的控制方式，具有实现简单，响应迅速，无控制参数，无需复杂矢量脉冲宽度调制(PWM)过程，控制效果好等优点，便于应用于光伏、风能等需求对于系统输入功率进行控制或实现最大功率跟踪控制的新能源发电系统中。
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 (4)

1.一种BUCK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BUCK变换器功率切换模型；
步骤2，设计BUCK变换器切换规则；
所述步骤1中，建立BUCK变换器功率切换模型如式(1)所示：
Figure FDA0003941666030000011
公式(1)中，P为BUCK变换器有功功率值；
Figure FDA0003941666030000012
表示有功功率P随时间的导数；Us为BUCK变换器输入直流电压；Uo为BUCK变换器输出直流电压；s为BUCK变换器开关函数，s＝1表示BUCK变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BUCK变换器中功率开关器件断开；L为电感值；
所述步骤2中，设计BUCK变换器切换规则具体为采用以下定理所定义切换规则实现对于BUCK变换器输入功率控制，所提定理具体为：
【定理】针对式(1)BUCK变换器功率切换模型，若采用式(2)的切换规则，则该系统的有功功率P在有限时间内实现对于其期望值Pr的渐进稳定跟踪控制，即系统满足李亚普诺夫渐近稳定性，切换规则定义为：
Figure FDA0003941666030000013
或
Figure FDA0003941666030000014
证明：定义由BUCK变换器有功功率P与BUCK变换器功率期望值Pr间误差所构成的李亚普诺夫函数
Figure FDA0003941666030000021
如下式所示：
Figure FDA0003941666030000022
式(4)中，
Figure FDA0003941666030000023
为BUCK变换器有功功率与期望功率间的误差；对(4)式求导可得：
Figure FDA0003941666030000024
由切换系统理论即李亚普诺夫稳定性定理可知，对于(4)式李亚普诺夫函数
Figure FDA0003941666030000025
若能保证(5)式
Figure FDA0003941666030000026
则BUCK变换器在不同开关状态s的子系统下切换稳定且功率误差
Figure FDA0003941666030000027
为渐进稳定平衡点；
a)当BUCK变换器实际系统功率P大于期望值Pr时，即P-Pr≥0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure FDA0003941666030000028
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us；因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝0时
Figure FDA0003941666030000029
(5)式李亚普诺夫函数导数值半负定，满足李亚普诺夫稳定性要求；
b)当BUCK变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr时，即P-Pr≤0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure FDA00039416660300000210
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us；因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝1时
Figure FDA0003941666030000031
(5)式李亚普诺夫函数导数值负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率切换模型的变流器切换控制方法，其特征在于，所述步骤1建立BUCK变换器功率切换模型具体为：
Figure FDA0003941666030000032
其中，P为BUCK变换器有功功率值；
Figure FDA0003941666030000033
表示有功功率P随时间的导数；Us为BUCK变换器输入直流电压；Uo为BUCK变换器输出直流电压；s为BUCK变换器开关函数，s＝1表示BUCK变换器中功率开关器件导通，s＝0表示BUCK变换器中功率开关器件断开；L为电感值。
3.根据权利要求1所述的一种基于功率切换模型的变流器切换控制方法，其特征在于，所述步骤2定理证明所定义李亚普诺夫函数具体为：
Figure FDA0003941666030000034
其中，
Figure FDA0003941666030000035
为BUCK变换器有功功率与期望功率间的误差；且(4)式函数导数表达式具体为：
Figure FDA0003941666030000036
4.根据权利要求1所述的一种基于功率切换模型的变流器切换控制方法，其特征在于，所述步骤2定理证明依据(4)(5)李亚普诺夫函数及其导数表达式按照以下两种状况进行分析并设计切换规则：
a)当BUCK变换器实际系统功率P大于期望值Pr时，即P-Pr≥0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure FDA0003941666030000041
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us；因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝0时
Figure FDA0003941666030000042
(5)式李亚普诺夫函数导数值半负定，满足李亚普诺夫稳定性要求；
b)当BUCK变换器实际系统功率P小于等于期望值Pr时，即P-Pr≤0时，由以上分析可知需保证式(5)中
Figure FDA0003941666030000043
由BUCK变换器工作原理可知其为降压变换电路，输出直流电压Uo总是小于输入直流电压Us，即Uo≤Us；因此，当且仅当BUCK变换器开关状态s＝1时
Figure FDA0003941666030000044
(5)式李亚普诺夫函数导数值负定，满足李亚普诺夫稳定性要求。
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