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基于高阶全驱动方法的直流微网恒功率负载下DC-DC降压变换器鲁棒控制器
A Robust Controller Based on High-Order Fully Actuated Approach for DC–DC Buck Converter With Constant Power Loads in DC Microgrids
| 作者 | Yadong Wei · Bo Zhang |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2025年2月 |
| 技术分类 | 系统并网技术 |
| 技术标签 | DC-DC变换器 微电网 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 直流微电网 恒功率负载 降压转换器 鲁棒控制策略 稳定性 |
语言:
中文摘要
直流微电网中恒功率负载(CPL)呈现出的负增量阻抗特性会导致上游直流 - 直流降压变换器出现不稳定现象。本文提出了一种基于高阶全驱动系统方法的鲁棒控制策略,用于全局稳定和调节向恒功率负载供电的降压变换器。首先,推导了一个包含输入、负载和系统参数扰动引起的非线性不确定性的二阶全驱动模型,以描述系统动态特性。然后,从二阶系统动态特性的角度综合得出一种鲁棒控制律,通过补偿恒功率负载带来的负面影响,并通过一阶状态反馈重构期望的闭环动态特性。其次,设计了一个不确定性边界估计器,以增强系统在无需精确测量负载或输入的情况下抵御扰动的鲁棒性。采用了一种简单的微分状态观测器,以避免使用对噪声敏感的微分器。所提出的控制器不仅确保了系统的大信号稳定性,还能在较宽的工作范围内实现精确跟踪和快速动态响应。进一步通过仿真和实验验证了所提出控制器的有效性和优越性。
English Abstract
The negative incremental impedance characteristics exhibited by constant power loads (CPLs) in dc microgrids introduce instability in upstream dc–dc buck converters. In this article, a robust control strategy based on high-order fully actuated system approach is proposed for globally stabilizing and regulating the buck converter feeding CPLs. First, a second-order fully actuated model incorporating nonlinear uncertainties from input, load and system parameters disturbances is derived to describe system dynamics. A robust control law is then synthesized from the perspective of second-order system dynamics by compensating for the negative effects introduced by CPLs and reconstructing the desired closed-loop dynamics through first-order state feedback. Second, an uncertainty boundary estimator is designed to enhance system robustness against disturbances without precise measurements of load or input. A simple differential state observer is adopted to avoid the use of noise-sensitive differentiators. The proposed controller not only ensures large signal stability of the system, but also achieves accurate tracking and fast dynamic response within a wide working range. Simulations and experiments are further conducted to validate the effectiveness and superiority of the presented controller.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,该论文针对直流微电网中恒功率负载(CPL)导致的上游DC-DC变换器不稳定问题,提出了基于高阶全驱动系统方法的鲁棒控制策略,具有重要的技术价值和应用前景。
在储能系统和光伏微电网领域,阳光电源产品常面临CPL带来的负阻抗特性挑战。典型场景包括:储能变流器为电动汽车充电桩供电、光储直流母线连接多个逆变器负载、氢能电解槽等恒功率设备接入。这些应用中,负载的负增量阻抗会导致母线电压振荡甚至系统失稳,严重影响供电可靠性。该论文提出的控制方法通过二阶全驱动模型建模和状态反馈补偿,能够实现大信号稳定性和宽工作范围的精确跟踪,这对提升阳光电源DC-DC变换器产品的动态性能和鲁棒性具有直接价值。
技术层面,该方法的核心优势在于无需精确测量负载和输入参数,通过不确定性边界估计器增强抗扰能力,这与实际工程中传感器成本和测量噪声的约束高度契合。对于阳光电源的1500V高压直流系统和模块化储能产品,该控制策略可显著提升系统在负载突变、功率波动等极端工况下的稳定裕度。
然而,工程化应用仍面临挑战:高阶控制算法对DSP/FPGA计算能力要求较高,需评估现有硬件平台的实时性;状态观测器设计需在噪声抑制和响应速度间权衡;多变换器并联场景下的协调控制策略需进一步研究。建议阳光电源研发团队可将该技术优先应用于高端储能变流器和微电网控制器产品,通过仿真验证和小批量测试逐步推进产业化,以巩固在直流配电和新能源系统控制技术的领先地位。