一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法

本发明涉及直流微电网，特别是涉及一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法。

背景技术：

1、近年来，微电网作为有效集成可再生能源、储能系统、分布式发电单元和现代电力电子负载的小型电力系统受到广泛关注。与交流微电网相比，直流微电网的控制结构相对简单，可避免无功功率、相位同步和频率调节问题。此外，dc/dc升压变换器是直流微电网最常见的接口之一，可减少大多数直流电源和负载的冗余能量转换阶段。因此，探索能实现快速母线电压调节并稳定考虑恒功率负载的直流微电网接口变换器的控制策略是非常重要的。

2、在直流微电网中，现代电力电子负载通常包括电阻性负载和恒功率负载。前者属于无源元件，可为直流微电网系统提供正阻尼。相反，恒功率负载是严格调节的电力电子变换器负载，其表现为消耗恒定功率，使输入端呈现负增量阻抗特性，从而与源转换器相互作用降低系统阻尼，甚至导致平衡点的极限循环震荡行为。因此，高渗透率的恒功率负载对直流微电网的稳定运行构成了巨大威胁。为了解决上述问题，大多数研究分别基于小信号稳定性和大信号稳定性。其中基于小信号稳定性的控制策略主要分为两类：通过在功率电路中添加无源器件的被动阻尼法和修改控制环路以重塑系统阻抗的主动阻尼法。然而，前者增加了系统的重量和成本，后者依赖于线性化的小信号模型，只能确保平衡点小范围内的系统稳定性。

3、考虑到变换器的高度非线性、恒功率负载的负阻抗特性，提出了许多先进控制技术来确保系统的全局稳定性，例如无源控制、反步控制、模型预测控制、滑模控制和深度强化学习控制等。尽管上述控制确保了系统的稳定性，但非线性控制器的设计依赖于精确的系统模型构建，因此在源荷端随机性扰动下会造成系统控制目标的稳态偏差。为了确保非线性控制的无差调节，提出了基于积分补偿的复合非线性控制。然而，反馈调节机制导致控制器在面对干扰时的动态响应速度较慢。值得注意的是，扰动观测器技术作为独立于非线性控制器设计的在线估计和前馈补偿技术，已经引起了人们的广泛关注。然而，传统的非线性扰动观测器、有限时间扰动观测器和固定时间扰动观测器只能在渐近时间、受初始状态限制的有限时间和参数调整困难的不精确固定时间内收敛。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决现有技术中的问题以满足实际的情况需要，提出了一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法。

2、本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法，所述控制方法首先通过设计预定义时间非线性扰动观测器对外部干扰进行在线估计和前馈补偿，具体地用于在预定时间内准确估计时变和未知的负载功率和输入电压；然后，设计了由无源控制电压环和模型预测控制电流环组成的自适应无源模型预测控制器apmpc，用于控制带有恒功率负载的dc/dc升压变换器；最后在模型预测控制电流环之前，通过饱和限流环节实现限流。

3、进一步地，对dc/dc升压变换器进行数学建模，在不失一般性的前提下，dc/dc升压变换器的平均动态模型表示为:

4、

5、其中，l，c，e，vo，il，μ，r和pcpl分别为dc/dc升压变换器的电感值、输出侧电容值、输入电压、输出电压、电感电流、开关占空比、电阻负载和恒功率负载功率，δ1＝e和δ2＝-po表示需要被估计的状态变量；

6、为了将动态模型(1)中的输出功率作为扰动形式并满足布鲁诺夫斯基标准形式，采用精确反馈线性化技术进行坐标变换，表示为

7、

8、式(3)中，e0为额定输入电压，ψ1和ψ2分别表示不同建模下的扰动形式；

9、将动态模型(1)中的输入电压视为干扰形式，并将其转换为符合布鲁诺夫斯基标准的形式，表示为

10、

11、进一步地，预定义时间非线性扰动观测器的设计具体为：为了在预定时间内估算式(1)中的δ1，引入了一个参考辅助变量，其表达式为

12、

13、上式中，γ1为已知的正常数；用于估计输入电压δ1的预定义时间非线性扰动观测器设计为

14、

15、上式中，为输入电压δ1的估计值；为确保所设计的预定义时间非线性扰动观测器满足lyapunov稳定性，函数被设计为

16、

17、上式中，为估计误差信号，0<ξ<1，to1>0，α1>0，α2>0和to1表示可自由设定的预定义时间系数，即对于任意时间常数t>to1可实现和

18、为了估算式(1)中的δ2，引入了一个参考辅助变量，其表达式为

19、

20、上式中，γ2为已知的正常数；用于估计输出功率δ2的预定义时间非线性扰动观测器设计为

21、

22、上式中，为输出功率δ2的估计值；为确保所设计的预定义时间非线性扰动观测器满足lyapunov稳定性，函数被设计为

23、

24、上式中，为估计误差信号，0<ξ<1，to2>0，α1>0，α2>0和to2表示可自由设定的预定义时间系数，即对于任意时间常数t>to2可实现和

25、进一步地，在无源控制电压环设计中，为了便于自适应无源模型预测控制器的设计，动态模型(1)以如下矩阵形式表示为

26、

27、其中，g＝-gt，r＝rt，式(12)满足欧拉-拉格朗日模型的特征，为自适应无源模型预测控制器的设计提供了模型基础。

28、进一步地，所述自适应无源模型预测控制器的设计分为两个阶段：

29、(1)能量重塑阶段：采用进行变换，将式(11)重塑为

30、

31、上式中，xd和分别表示x的参考值和干扰值；

32、(2)阻尼注入阶段：该阶段通过在式(13)两端注入虚拟阻尼矩阵来修改系统耗散函数，表示为

33、

34、进一步地，为确保注入虚拟阻尼矩阵的系统满足李雅普诺夫稳定性，从而存在系统的全局稳定平衡点系统的能量函数选取如下：

35、

36、能量函数(16)时间的导数表示为

37、

38、进一步地，无源控制电压环的控制规律设计为

39、

40、将式(6)和式(9)的估计值代入(18)表示为

41、

42、进一步地，模型预测控制电流环设计过程中，结合平均状态模型(1)和占空比μ＝1或0时的电感电流波形，计算出电流的斜率为

43、

44、根据当前采样时间的电感电流il(k)，下一时刻的电感电流il(k+1)的预测值表示为

45、

46、上式中，ts是开关周期；根据单周期预测电流和参考电流构建的成本函数表示为

47、j＝(il,ref-il(k+1))2 (22)

48、为获得最佳变量，对式(22)的μ求偏导可得

49、

50、占空比μ的计算公式可推导为

51、

52、将式(6)的估计值代入(24)即可得出

53、

54、本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法的步骤。

55、本发明还提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种基于预定义时间前馈补偿的直流微电网无源模型预测控制方法的步骤。

56、本发明的有益效果：

57、本发明提出了一种基于预定义时间非线性扰动观测器的自适应无源模型预测控制(apmpc)方法，旨在以更简洁实用的控制结构在宽范围运行下实现优异的瞬态和稳态性能。所提出的控制器包括预定义时间前馈补偿环和非线性控制反馈环。首先，通过设计预定义时间非线性扰动观测器对外部干扰进行在线估计和前馈补偿，系统的鲁棒性得到了显著提高。为了获得最佳控制结构，系统参数(输出功率和输入电压)将被在线估计，而不是严格假设的干扰信号。然后，设计了由无源控制电压环和模型预测控制电流环组成的apmpc，它具有结构简单、高鲁棒性、快速电压调节等优点。此外，在模型预测控制电流环之前，还可以通过饱和限流环节实现简单的限流。本发明提出的预定义时间扰动观测器确保了误差信号在自由设定的时间上界内收敛。