分布式DC-DC变换器大信号分解建模和逆系统动态解耦控制

With the development of distributed renewable energy technology, the existed modeling and controlling methods based on linearized small-signal cannot well satisfy the design requirements in high reliability of distributed DC-DC converter systems under large disturbances and wide operating point variations. Therefore, this project will focus on applying the inverse system method to the dynamic decoupling control of DC-DC converters based on large-signal decomposition model, and developing the relative state estimation and observation techniques, analyzing the stability and convergence of the algorithms. The research is carried out to fulfill the analysis and application requirements of the multiport DC-DC converters and cascade DC-DC converter systems. It is provided with significant theoretical and practical to the engineering design of control system for distributed DC-DC converter systems under large disturbance conditions..The novel aspects of this research cover: firstly, a decomposition modeling method is developed to overcome the difficulty of obtaining the whole inverse system of a DC-DC converter large-signal model. By decomposing the model into three sub-modules: disturbance, current loop, and voltage loop, it is easy to solve the inverse system of each sub-module. Secondly, an inverse system approach which can realize dynamic unit matrix decoupling control of DC-DC converters is proposed to improve the stability, rapidity, robustness, and anti-disturb ability of the system. Therefore, applying the inverse system decoupling control strategies to DC-DC converters has practicability.

随着新能源分布式电源的发展，小信号线性化建模和控制方法难以满足大扰动、宽范围分布式DC-DC变换器的可靠设计和运行要求。为此，本项目基于逆系统方法，探讨DC-DC变换器的大信号分解建模方法，解决DC-DC变换器逆系统控制的变量估计、观测、算法的稳定性和收敛性等问题，提出DC-DC变换器的动态解耦控制策略，以适用于复杂运行条件下分布式电源多端口DC-DC变换器和级联DC-DC变换器的分析和应用。这对于实现新能源分布式DC-DC变换器的工程化控制系统设计具有重要的理论意义和应用价值。.本项目有以下创新和特色之处：一是提出将DC-DC变换器分解为扰动、电压环和电流环三个子模块建模及分别求解逆系统的思路，突破了DC-DC变换器大信号逆系统解析解难以求解和实际应用的瓶颈；二是实现了DC-DC变换器逆系统动态单位解耦控制，提高系统的稳定性、快速性、抗干扰能力和鲁棒性，从而将逆系统解耦控制策略推向实用。

本项目研究DC-DC变换器的大信号分解建模和动态解耦控制策略，以适用于分布式电源等复杂运行条件下多端口DC-DC变换器和级联DC-DC变换器的分析和控制。主要研究内容、结果及意义如下：（1）建立了基本变换器buck、boost和buck-boost的大信号分解模型，提出了DC/DC变换器的逆系统解耦控制方法，设计了最优控制器。所提出的系统建模和控制方法充分地利用了DC/DC变换器大信号模型的参数和结构信息，不仅更能保证系统模型的准确性，而且消除了输入电压扰动和负载扰动对输出电压的影响，消除了电流环和电压环的交叉耦合，改善了被控对象的特性，简化了控制器的设计，提高了系统的稳定性、快速性、抗干扰能力和鲁棒性；（2）提出了多电平DC-DC变换器的逆系统解耦最优控制策略，所提控制策略具有良好的动态调节性能和更强的鲁棒性，保证了飞跨电容电压的平衡性，实现了飞跨电容电压与输出电压的解耦；（3）提出了单电感多输出DC-DC变换器的精确反馈线性化最优控制策略，所提出的控制策略具有良好的稳定性，有效减小了系统的交叉调节；（4）提出了带恒功率负载DC-DC变换器的自适应反步滑模控制策略等自适应控制策略，减小模型不精确性对系统控制性能的影响；（5）分析了带切换恒功率负载DC-DC变换器控制系统的稳定性和动力学特性，提出了一种包含切换演化过程的离散迭代映射模型建模方法及Lyapunov指数计算方法，使Lyapunov指数的计算精度得到进一步提高，为分析电力电子级联系统的非线性分段光滑动力学特性提供有效工具，有助于设计更为稳定可靠的电力电子级联系统。这些方法有效提高了控制系统的稳态和动态特性，为系统的稳定可靠运行奠定理论基础。结合本项目的研究，已培养博士生2名，硕士11名，发表论文18篇，其中SCI收录期刊论文8篇，EI收录论文5篇，有2篇分别发表在“IEEE Transactions on Power Electronics”和“IEEE Transactions on Industrial Electronics”上，获得国家发明授权2项。