四開關(guān)Buck-Boost變換器的多模式模型預(yù)測控制策略

吳 巖 王 瑋 曾國宏 吳學(xué)智 唐 芬

四開關(guān)Buck-Boost變換器的多模式模型預(yù)測控制策略

吳 巖 王 瑋 曾國宏 吳學(xué)智 唐 芬

（國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心（北京交通大學(xué)） 北京 100044）

四開關(guān)Buck-Boost變換器具有多種工作模式，適用于寬電壓范圍變換的場合，如何選擇適合的工作模式以及實現(xiàn)平滑的模式切換是其需要解決的關(guān)鍵問題。該文提出一種四開關(guān)Buck-Boost變換器的多模式模型預(yù)測控制策略，根據(jù)電壓變換需求確定了四種工作模式，在傳統(tǒng)Buck和Boost模式的基礎(chǔ)上加入兩種擴展模式，消除Buck和Boost模式在輸入電壓和輸出電壓接近時存在的控制死區(qū)，利用模型預(yù)測控制方法的預(yù)測機制實現(xiàn)各工作模式的電流預(yù)測控制，同時，根據(jù)下一控制周期內(nèi)不同工作模式的占空比預(yù)測結(jié)果，選擇最適合的工作模式。仿真和實驗結(jié)果表明，所提控制策略可以有效地選擇四開關(guān)Buck-Boost變換器最適合的工作模式以及實現(xiàn)較平滑的模式切換，而且具有良好的動態(tài)響應(yīng)性能。

四開關(guān)Buck-Boost 多工作模式 模型預(yù)測控制 模式切換

0 引言

隨著光伏、儲能等直流型分布式電源的發(fā)展和應(yīng)用，以及越來越多的直流負荷在用電終端接入，低壓直流微電網(wǎng)以及低壓直流配電系統(tǒng)得到了越來越多的關(guān)注和發(fā)展[1-2]。DC-DC變換器是常用的直流接口變換器，在低壓直流微電網(wǎng)以及低壓直流配電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用[3]。四開關(guān)Buck-Boost（Four Switch Buck-Boost, FSBB）變換器是一種具有輸入輸出同極性、開關(guān)管電壓應(yīng)力小、既可以升壓也可以降壓等特點的雙向DC-DC變換器[4-5]。相比于傳統(tǒng)DC-DC變換器，F(xiàn)SBB變換器更適合有寬范圍電壓變換需求的場合，因此，在儲能接口變換器、光伏發(fā)電、直流供電系統(tǒng)等場合得到了較多應(yīng)用。

FSBB變換器由于其拓撲特點，可以實現(xiàn)Buck、Boost和Buck-Boost變換器的功能[6-7]。對于其控制方法，雖然可以采用Buck-Boost單模式控制方法實現(xiàn)升降壓控制，但其效率較低。現(xiàn)有研究主要分為兩種模式和三種模式控制方法。在兩種模式控制中，當FSBB變換器的輸出電壓低于輸入電壓時，使其工作在Buck模式；當輸出電壓高于輸入電壓時，使其工作在Boost模式[8-9]。但當輸入和輸出電壓比較接近時，兩種模式控制會出現(xiàn)模式頻繁切換的問題，容易導(dǎo)致控制不穩(wěn)定和輸出紋波較大，而且實際開關(guān)管存在最大/最小占空比限制，使得在輸入和輸出電壓接近時存在控制死區(qū)，電壓變換不能連續(xù)[10-11]。文獻[9]針對FSBB變換器提出一種雙沿調(diào)制的三種模式控制策略，在Buck模式和Boost模式之間加入Buck-Boost模式，避免了兩種模式控制中輸入和輸出電壓接近時模式頻繁切換的問題。文獻[12]提出一種基于平均電流控制的三種模式控制策略，通過輸入電壓檢測單元來檢測輸入電壓，并以此控制調(diào)制信號的偏置電壓，進而實現(xiàn)三種模式的切換控制，但這種方法需要額外的模式檢測單元，并且對模式切換檢測的準確性要求較高。文獻[13]提出一種基于雙載波調(diào)制的三種模式控制策略，采用具有交疊區(qū)的雙載波調(diào)制策略實現(xiàn)三種模式的切換控制，其三種模式均采用PI雙環(huán)控制，如果每種模式采用獨立的PI控制器，則需要分別調(diào)節(jié)三種模式的控制參數(shù)，但如果三種模式共用一組PI控制器，有的模式可能因此會降低部分動態(tài)性能，因此，控制參數(shù)設(shè)計和整定比較復(fù)雜。FSBB變換器的電壓比由兩個橋臂的開關(guān)管占空比決定，文獻[14-15]采用固定FSBB變換器某一橋臂開關(guān)管占空比的方式，避免了兩模式控制方法在輸入和輸出電壓接近時容易出現(xiàn)控制死區(qū)的問題。文獻[16]提出的FSBB變換器控制策略中，以最小化功率損耗為目標建立優(yōu)化模型，需要同時優(yōu)化開關(guān)管的開關(guān)頻率和占空比，其控制策略比較復(fù)雜，不利于實際應(yīng)用。

近年來，模型預(yù)測控制（Model Predictive Control, MPC）在電力電子變換器控制領(lǐng)域得到了較多應(yīng)用，具有動態(tài)響應(yīng)快、設(shè)計簡單等優(yōu)點[17-21]。文獻[22]將有限控制集模型預(yù)測控制（Finite Control Set MPC, FCS-MPC）應(yīng)用到級聯(lián)式雙向DC-DC變換器的控制中，提高了動態(tài)響應(yīng)速度，但FCS-MPC存在開關(guān)頻率不固定的問題，可能導(dǎo)致電流紋波較大。文獻[23]將連續(xù)控制集模型預(yù)測控制（Continuous Control Set MPC，CCS-MPC）應(yīng)用到DC-DC變換器的控制中，實現(xiàn)了定頻控制，也具備較快的動態(tài)響應(yīng)。如果將MPC應(yīng)用到FSBB變換器的控制中：一方面，MPC的預(yù)測機制可以提升動態(tài)性能；另一方面，利用MPC預(yù)測FSBB變換器在不同工作模式下的系統(tǒng)狀態(tài)，可以方便地選擇最適合的工作模式，簡化模式切換控制的工作。

針對FSBB變換器工作在寬電壓范圍時的控制問題，本文提出一種FSBB變換器的多模式模型預(yù)測控制策略，根據(jù)電壓變換需求，在傳統(tǒng)Buck和Boost兩模式控制的基礎(chǔ)上，在輸入和輸出電壓接近時，增加兩種由Buck和Boost拓展的工作模式，避免由于實際開關(guān)管占空比的限制而導(dǎo)致出現(xiàn)控制死區(qū)以及模式頻繁切換的問題；利用MPC的預(yù)測機制實現(xiàn)四種工作模式下的電感電流預(yù)測控制，并根據(jù)不同工作模式的占空比預(yù)測結(jié)果，選擇最適合的工作模式，實現(xiàn)不同模式之間的切換。最后，通過仿真和實驗驗證了所提控制策略的有效性。

1 四開關(guān)Buck-Boost變換器的工作原理

FSBB變換器拓撲如圖1所示，圖中，S1～S4為開關(guān)管，1和2分別為輸入和輸出側(cè)電容，和R分別為電感和電感電阻，為負載電阻，i為電感電流，o為輸出電流，i為輸入電壓，o為輸出電壓。FSBB變換器根據(jù)開關(guān)管的通斷狀態(tài)有四種工作模態(tài)，F(xiàn)SBB變換器的工作模態(tài)如圖2所示。

圖1 FSBB變換器拓撲

圖2 FSBB變換器的工作模態(tài)

FSBB變換器的連續(xù)時域數(shù)學(xué)模型如下。

（1）當S1、S2交替導(dǎo)通，S3關(guān)斷、S4導(dǎo)通時

式中，1()由S1、S2的開關(guān)狀態(tài)決定，當S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時，1()=1；反之，1()=0。

（2）當S3、S4交替導(dǎo)通，S1導(dǎo)通、S2關(guān)斷時

式中，2()由S3、S4的開關(guān)狀態(tài)決定，當S3導(dǎo)通、S4關(guān)斷時，2()=1；反之，2()=0。

FSBB變換器的電路拓撲可以分為兩部分：開關(guān)管S1和S2可以看作一個Buck單元；開關(guān)管S3和S4可以看作一個Boost單元，其中，S1和S3分別為Buck單元和Boost單元的主控管。在理想情況下，輸出電壓o和輸入電壓i的電壓增益為

式中，1和2分別為S1和S3的占空比，在寬輸入電壓范圍的工況下，通過調(diào)節(jié)1和2即可實現(xiàn)對輸出電壓的控制。當S1、S2交替導(dǎo)通，S3關(guān)斷、S4導(dǎo)通時，F(xiàn)SBB變換器工作在Buck模式，此時2=0；當S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷，S3和S4交替導(dǎo)通時，其工作在Boost模式，此時1=1；當S1、S3同開同關(guān)，S2、S4同開同關(guān)時，其等效為Buck-Boost變換器，此時1=2。

2 四開關(guān)Buck-Boost變換器的多模式模型預(yù)測控制策略

FSBB變換器可以工作在Buck、Boost等多種工作模式，因此，在寬電壓范圍的工況中，為滿足電壓變換需求，需要選擇適合的工作模式。同時，為了保證對輸出電壓連續(xù)穩(wěn)定地控制，需要消除由于開關(guān)管的最大/最小占空比限制而導(dǎo)致出現(xiàn)的控制死區(qū)，以及避免FSBB變換器在不同模式之間頻繁切換。

為此，本文提出一種FSBB變換器的多模式MPC策略，如圖3所示。圖中，o,ref和i,ref分別為電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的指令值。根據(jù)電壓變換需求，劃分了四種FSBB變換器的工作模式，除了Buck和Boost模式之外，針對輸入和輸出電壓比較接近的工況，在Buck和Boost模式之間加入中間模式。中間模式的電壓增益存在1和2兩個控制自由度，使其控制相對更加復(fù)雜。為此，中間模式采用單一自由度控制，當需要升壓控制時，固定1為最大占空比，只調(diào)節(jié)2，可看作是Boost模式的延伸，將其稱為拓展Boost（Extended Boost, E-Boost）模式；當需要降壓控制時，固定2為最小占空比，只調(diào)節(jié)1，可看作是Buck模式的延伸，將其稱為拓展Buck（Extended Buck, E-Buck）模式，四種模式控制的示意圖如圖4所示，圖中，1,max和1,min分別為1的最大和最小值，2,max和2,min分別為2的最大和最小值。控制策略的外環(huán)為電壓PI控制，穩(wěn)定輸出電壓，并輸出內(nèi)環(huán)的電感電流指令；內(nèi)環(huán)為基于CCS-MPC的電感電流預(yù)測控制，通過建立FSBB變換器四種工作模式的預(yù)測模型，根據(jù)預(yù)測結(jié)果選擇最適合的工作模式，實現(xiàn)變換器的多模式切換和對電感電流指令的快速跟蹤。采用基于CCS-MPC的電感電流預(yù)測控制具有以下優(yōu)點：①動態(tài)響應(yīng)速度快；②可以實現(xiàn)固定頻率控制；③利用MPC的預(yù)測機制可以方便地選擇當前最適合的工作模式，無需額外的模式切換檢測。

圖3 FSBB變換器的多模式MPC策略

圖4 四種模式控制示意圖

2.1 預(yù)測模型

根據(jù)式（1）可以得到FSBB變換器Buck模式的離散域平均狀態(tài)方程，并將其作為Buck模式的預(yù)測模型為

式中，s為采樣周期。

類似地，根據(jù)式（2）可以得到FSBB變換器Boost模式的預(yù)測模型為

中間模式E-Boost和E-Buck作為Boost和Buck模式的延伸，其預(yù)測模型分別為

2.2 工作模式選擇

合理地選擇工作模式是FSBB變換器控制系統(tǒng)的重要工作之一，本文利用MPC的預(yù)測機制，根據(jù)各模式預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果，自動選擇最適合當前工況的工作模式，進而確定開關(guān)管的占空比。

從電感電流紋波角度來看，Buck和E-Buck模式的電感電流紋波以及Boost和E-Boost模式的電感電流紋波分別為

結(jié)合圖4可知，當給定電感電流指令時，在占空比限值范圍內(nèi)，如果FSBB變換器選擇Buck或E-Buck模式均能夠跟蹤相同的電感電流指令，由于Buck模式下1更大，其紋波更小，而且開關(guān)動作次數(shù)也少于E-Buck模式，因此，優(yōu)先選擇Buck模式。同理，在Boost和E-Boost模式之間優(yōu)先選擇Boost模式。

在電感電流預(yù)測環(huán)節(jié)中，假設(shè)電感電流在一個采樣周期就可以達到指令值i,ref，分別將FSBB變換器四種工作模式的電感電流預(yù)測值i(+1)代入式（10），可以分別得到下一周期變換器如果工作在Buck、E-Buck、E-Boost和Boost模式的占空比1(+1)和2(+1)，表達式見表1，表中，=1～4，分別表示Buck、E-Buck、E-Boost和Boost模式。為方便后文說明工作模式的選擇過程，將上述四種模式的占空比分別記作1,b(+1)和2,b(+1)、1,eb(+1)和2,eb(+1)、1,ebo(+1)和2,ebo(+1)、1,bo(+1)和2,bo(+1)。

由圖4可以發(fā)現(xiàn)，相鄰的兩種工作模式在模式切換邊界處電壓增益近似相等，當FSBB變換器的工作點在模式切換邊界附近時，容易出現(xiàn)模式頻繁切換的情況，導(dǎo)致輸出不穩(wěn)定。為了盡量避免這種不期望的模式切換發(fā)生，在模式切換邊界加入占空比滯環(huán)，加入占空比滯環(huán)的四種模式控制示意圖如圖5所示，圖中，1和2為滯環(huán)寬度。

表1 FSBB變換器四種工作模式的占空比

Tab.1 The duty cycles of the four operating modes of FSBB converter

圖5 加入占空比滯環(huán)的四種模式控制示意圖

根據(jù)FSBB變換器的預(yù)測模型得到下一周期四種模式的占空比后，工作模式選擇步驟如下：

（1）當Buck模式的占空比1,b(+1)≤1,max時，首先判斷上一周期的工作模式是否為E-Buck模式，如果不是，則直接選擇下一周期的工作模式為Buck模式；如果是，說明下一周期有可能發(fā)生E-Buck和Buck模式之間的切換，為避免變換器當前的工作點在Buck和E-Buck的模式邊界附近容易發(fā)生模式頻繁切換，此時，加入占空比滯環(huán)，如果1,b(+1)≤1,max-1，則選擇下一周期的工作模式為Buck模式；否則，仍為E-Buck模式。

（2）當1,b(+1)＞1,max時，如果E-Buck模式的占空比1,eb(+1)≤1,max，判斷上一周期的工作模式是否為E-Boost模式，如果不是，則直接選擇下一周期的工作模式為E-Buck模式；如果是，加入占空比滯環(huán)，如果1,eb(+1)≤1,max-1，則選擇下一周期的工作模式為E-Buck模式；否則，仍為E-Boost模式。而當1,eb(+1)＞1,max時，說明選擇Buck或E-Buck模式已經(jīng)不能達到電感電流指令值，繼續(xù)步驟（3）。

（3）當Boost模式的占空比2,bo(+1)≥2,min時，判斷上一周期的工作模式是否為E-Boost模式，如果不是，則直接選擇下一周期的工作模式為Boost模式；如果是，加入占空比滯環(huán)，如果2,bo(+1)≥2,min+2，則選擇下一周期的工作模式為Boost模式；否則，仍為E-Boost模式。而當0＜2,bo(+1)＜2,min時，如果2,ebo(+1)≥2,min，則選擇下一周期的工作模式為E-Boost模式。

通過上述控制過程，MPC根據(jù)下一周期系統(tǒng)狀態(tài)的預(yù)測結(jié)果可以提前選擇最合適的工作模式。確定了下一周期的工作模式后，由記錄所選擇的工作模式的編號，然后查詢表1計算下一周期的占空比指令。

圖6 FSBB變換器的電壓增益

2.3 控制延時補償

在數(shù)字控制中，采樣、控制指令計算、開關(guān)動作更新等環(huán)節(jié)不可能同時完成，從控制指令計算到開關(guān)動作更新存在約為一拍的控制延時[24]。控制延時可能會造成控制偏差、產(chǎn)生脈動等問題，因此，在基于MPC的電流預(yù)測控制中需要對控制延時進行補償。本文利用MPC的預(yù)測機制，采用超前預(yù)測一步的方式進行控制延時補償，具體的做法是：當時刻得到變換器的i()、o()、i()等采樣信息后，根據(jù)上一周期工作模式的預(yù)測模型預(yù)測+1時刻的系統(tǒng)狀態(tài)o(+1)、i(+1)，然后利用這一步的預(yù)測狀態(tài)進行電壓外環(huán)的計算，得到電感電流指令，同時用它們代替表1中占空比表達式中的o()、i()，進而計算得到占空比指令1(+2)和2(+2)，將超前一步的占空比指令1(+2)和2(+2)更新到+1時刻的控制周期開關(guān)動作中，這樣便降低了控制延時對控制效果的影響。

綜上所述，本文所提控制策略的流程如圖7所示。

圖7 控制策略流程

3 仿真和實驗驗證

為了驗證所提控制策略的有效性，本文利用Matlab/Simulink搭建了FSBB變換器的仿真模型進行仿真證明，并搭建了實驗平臺進行實驗驗證，平臺示意圖如圖8所示，仿真和實驗的相關(guān)參數(shù)見表2。為了驗證和說明所提控制策略的控制效果和特點，設(shè)置對比控制策略為傳統(tǒng)PI雙閉環(huán)控制策略。

3.1 電感電流指令跟蹤

給定內(nèi)環(huán)電感電流指令，當電感電流指令發(fā)生階躍變化時，采用所提控制策略和PI控制策略的仿真結(jié)果如圖9所示。輸入電壓為130V，負載為30W，采用所提控制策略時，電感電流指令從2A階躍至4A，電感電流可以在3個開關(guān)周期跟蹤到給定值，而且基本沒有超調(diào)。當采用PI控制策略時，電感電流跟蹤到給定值的動態(tài)調(diào)節(jié)時間約為1.1ms，存在超調(diào)。

圖8 實驗平臺示意圖

表2 主要參數(shù)

Tab.2 Main parameters

圖9 電感電流指令跟蹤仿真結(jié)果

采用所提控制策略和PI控制策略的電感電流指令跟蹤的實驗結(jié)果如圖10所示，可以看出，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。PI控制存在一定的滯后性，所提控制策略的電感電流預(yù)測控制由于其具有預(yù)測能力，對系統(tǒng)的狀態(tài)變化有一定的超前感知能力，可以更快速地跟蹤電感電流指令變化，而且基本沒有超調(diào)。

圖10 電感電流指令跟蹤實驗結(jié)果

3.2 負載突變

當負載發(fā)生階躍突變時，采用所提控制策略和PI雙閉環(huán)控制策略的仿真結(jié)果如圖11所示，輸出電壓指令為110V，負載在運行中由60W突變?yōu)?0W。采用所提控制策略時，圖11a中，輸入電壓為130V，F(xiàn)SBB變換器工作在Buck模式，負載突變后，輸出電壓和電感電流大約在4ms后到達新穩(wěn)態(tài)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，輸出電壓跌落約3V；圖11b中，輸入電壓為90V，F(xiàn)SBB變換器工作在Boost模式，負載突變后，輸出電壓和電感電流大約在4.3ms后到達新穩(wěn)態(tài)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，輸出電壓跌落約3.4V；圖11c中，輸入電壓為110V，F(xiàn)SBB變換器工作在中間模式，負載突變后，輸出電壓和電感電流大約在4.2ms后到達新穩(wěn)態(tài)，在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，輸出電壓跌落約3.1V。采用PI雙閉環(huán)控制策略時，在上述相同的三種工況下，輸出電壓和電感電流均需要約6ms到達新穩(wěn)態(tài)，其間輸出電壓分別跌落約為3.4V、4.4V和3.8V。

圖11 負載突變仿真結(jié)果

采用所提控制策略和PI雙閉環(huán)控制策略的負載突變的實驗結(jié)果如圖12所示，可以看出，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。綜合仿真和實驗結(jié)果可以說明，當FSBB變換器在不同工作模式中發(fā)生負載突變或擾動時，采用所提控制策略時，負載變化對變換器的系統(tǒng)狀態(tài)影響程度更小。

圖12 負載突變實驗結(jié)果

3.3 工作模式切換

采用所提控制策略和PI雙閉環(huán)控制策略的工作模式切換的仿真結(jié)果1如圖13所示，當給定期望輸出電壓時，如果輸入電壓在寬范圍變化，F(xiàn)SBB變換器可能在Buck、Boost或中間模式之間進行模式切換。輸出電壓指令為110V，負載為30W，在所提控制策略下，當輸入電壓從130V階躍到110V時，F(xiàn)SBB變換器由Buck模式切換到中間模式，由圖13a可以看出，輸出電壓和電感電流的動態(tài)調(diào)節(jié)時間約為3.4ms，其間輸出電壓跌落約1V；當輸入電壓從110V階躍到90V時，F(xiàn)SBB變換器由中間模式切換到Boost模式，由圖13b可以看出，輸出電壓和電感電流的動態(tài)調(diào)節(jié)時間約為3.6ms，其間輸出電壓跌落約1.5V。

圖13 工作模式切換仿真結(jié)果1

當輸入電壓從117V階躍到107V時，根據(jù)所提控制策略，F(xiàn)SBB變換器將從中間模式的E-Buck和E-Boost兩種工作模式中進行選擇，由圖13c可以看出，輸出電壓和電感電流的動態(tài)調(diào)節(jié)時間約為3.4ms，其間輸出電壓跌落約0.7V。仿真中還可以發(fā)現(xiàn)，當輸入電壓為117V時，Buck單元S1的占空比1約為0.91，Boost單元S3的占空比2為最小占空比，此時變換器選擇的工作模式為E-Buck模式；當輸入電壓為107V時，Buck單元S1的占空比1為最大占空比，Boost單元S3的占空比2約為0.14，此時變換器選擇的工作模式為E-Boost模式。

當采用PI雙閉環(huán)控制策略時，在上述三種工況中，輸出電壓和電感電流的調(diào)節(jié)時間均約為8.5ms，其間輸出電壓分別跌落約3.7V、3.3V和3.1V。

采用所提控制策略和PI雙閉環(huán)控制策略的工作模式切換的實驗結(jié)果1如圖14所示，可以看出，實驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。綜合仿真和實驗結(jié)果可以說明，當FSBB變換器進行工作模式切換時，采用所提控制策略可以更快速地調(diào)節(jié)到新穩(wěn)態(tài)，而且在動態(tài)調(diào)節(jié)過程中，輸出電壓和電感電流的變化幅度均更小，模式切換過程相對更加平滑。

圖14 工作模式切換實驗結(jié)果1

為了進一步說明所提控制策略的控制效果，與傳統(tǒng)三種模式控制策略進行了對比。三種模式控制參考文獻[9]中的控制方式，在中間模式中固定Buck單元占空比1為m，只調(diào)節(jié)Boost單元占空比2。由式（3）可知，在中間模式中，當1=m時，輸入電壓越高、2越小，為了保證2在動穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)過程中均不低于最小占空比限值，一般選擇m=0.85。

當FSBB變換器采用三種模式控制時，控制策略同樣采用兩種，分別為結(jié)合所提MPC策略的三種模式MPC策略和傳統(tǒng)三種模式PI雙閉環(huán)控制策略。輸出電壓指令為110V，負載為30W，當輸入電壓變化時，采用三種模式MPC策略和三種模式PI雙閉環(huán)控制策略的模式切換仿真和實驗結(jié)果2如圖15和圖16所示。采用四種模式控制策略的模式切換仿真和實驗結(jié)果如圖13和圖14所示，不同控制策略的實驗結(jié)果對比見表3，可以看出，發(fā)生工作模式切換時，四種模式和三種模式控制策略的動態(tài)性能相差不大，但由于MPC具有更快的動態(tài)響應(yīng)，而且結(jié)合MPC的預(yù)測機制可以超前選擇最適合當前系統(tǒng)狀態(tài)的工作模式，因此，結(jié)合MPC的控制策略在模式切換控制上的動態(tài)性能要優(yōu)于PI雙閉環(huán)控制策略。

四種模式和三種模式控制策略的主要區(qū)別在于當FSBB變換器的輸入和輸出電壓接近時，四種模式控制策略劃分了E-Boost和E-Buck兩種中間模式，而三種模式控制策略只有一種中間模式，其與E-Boost模式類似。在中間模式中，相比于三種模式控制策略，采用四種模式控制策略時，占空比1和2更接近最大和最小占空比限值，由式（8）和式（9）可知，其電感電流紋波相對更小；此時，平均電感電流和平均輸出電流的關(guān)系如式（11）所示，在相同負載下，采用四種模式控制策略時，中間模式的平均電感電流相對更小，因此，其損耗相對更小。圖17和圖18分別為采用四種模式和三種模式控制策略的中間模式穩(wěn)態(tài)的仿真和實驗結(jié)果，可以看出，當輸入電壓為117V，采用四種模式控制策略時，F(xiàn)SBB變換器工作在E-Buck模式，電感電流紋波約為0.3A，平均電感電流約為3.94A；而采用三種模式控制策略時，電感電流紋波約為0.52A，平均電感電流約為4.24A。當輸入電壓為110V時，采用四種模式控制策略的電感電流紋波和平均電感電流同樣相對更小。因此，采用四種模式控制策略的中間模式的穩(wěn)態(tài)特性相對更好。

圖15 工作模式切換仿真結(jié)果2

圖16 工作模式切換實驗結(jié)果2

表3 不同控制策略在模式切換上控制效果的實驗對比結(jié)果

Tab.3 Experimental comparison results of the control effects of different control strategies on mode switching

式中，IL為平均電感電流；Io為平均輸出電流。

圖18 中間模式穩(wěn)態(tài)實驗結(jié)果

4 結(jié)論

本文針對FSBB變換器的控制死區(qū)和多模式切換控制的問題，提出了一種FSBB變換器的多模式模型預(yù)測控制策略。主要結(jié)論如下：為了避免開關(guān)管的最大/最小占空比限制而存在電壓控制死區(qū)，根據(jù)電壓變換需求，確定了Buck、E-Buck、E-Boost和Boost四種工作模式，在輸入和輸出電壓接近時，采用E-Buck或E-Boost模式，消除了控制死區(qū)對電壓變換的影響，保證了FSBB變換器可實現(xiàn)寬范圍的電壓連續(xù)變換，同時，相比于傳統(tǒng)控制方式，平均電感電流和紋波相對更小；利用MPC的預(yù)測機制實現(xiàn)了不同工作模式的電感電流預(yù)測控制，根據(jù)變換器的電感電流指令和MPC方法預(yù)測下一控制周期工作在不同工作模式的占空比，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果選擇最適合的工作模式；最后，仿真和實驗結(jié)果表明，所提控制策略提升了變換器的動態(tài)響應(yīng)性能，能夠選擇變換器最適合的工作模式，并實現(xiàn)了較平滑的模式切換。

[1] 楊美輝, 周念成, 王強鋼, 等. 基于分布式協(xié)同的雙極直流微電網(wǎng)不平衡電壓控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(3): 634-645.

Yang Meihui, Zhou Niancheng, Wang Qianggang, et al. Unbalanced voltage control strategy of bipolar DC microgrid based on distributed cooperation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(3): 634-645.

[2] 劉彥呈, 莊緒州, 張勤進, 等. 基于虛擬頻率的直流微電網(wǎng)下垂控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(8): 1693-1702.

Liu Yancheng, Zhuang Xuzhou, Zhang Qinjin, et al. A virtual current-frequency droop control in DC microgrid[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(8): 1693-1702.

[3] 王朝強, 曹太強, 郭筱瑛, 等. 三相交錯并聯(lián)雙向DC-DC變換器動態(tài)休眠控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(15): 3214-3223.

Wang Chaoqiang, Cao Taiqiang, Guo Xiaoying, et al. Dynamic dormancy control strategy of three-phase staggered parallel bidirectional DC-DC converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(15): 3214-3223.

[4] 李優(yōu)新, 吳鵬, 劉劍彬, 等. 一種改進的四開關(guān)Buck-Boost變換器控制策略[J]. 電氣傳動, 2020, 50(8): 33-38.

Li Youxin, Wu Peng, Liu Jianbin, et al. An improved control strategy of four switch Buck-Boost converter[J]. Electric Drive, 2020, 50(8): 33-38.

[5] Zhou Zongjie, Li Haiyan, Wu Xinke. A constant frequency ZVS control system for the four-switch Buck-Boost DC-DC converter with reduced inductor current[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(7): 5996-6003.

[6] Wu K C, Wu H H, Wei C L. Analysis and design of mixed-mode operation for non-inverting Buck-Boost DC-DC converters[J]. IEEE Transactions on Circuits & Systems II Express Briefs, 2015, 62(12): 1194- 1198.

[7] Jia Leilei, Sun Xiaofeng, Zheng Zhiwen, et al. Multimode smooth switching strategy for eliminating the operational dead zone in noninverting Buck-Boost converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(3): 3106-3113.

[8] 顏湘武, 王楊, 葛小鳳, 等. 雙管Buck-Boost變換器的帶輸入電壓前饋雙閉環(huán)控制策略[J]. 電力自動化設(shè)備, 2016, 36(10): 65-70, 77.

Yan Xiangwu, Wang Yang, Ge Xiaofeng, et al. Dual- loop control with input voltage feedforward for dual-switch Buck-Boost converter[J]. Electric Power Automation Equipment, 2016, 36(10): 65-70, 77.

[9] 任小永, 阮新波, 李明秋, 等. 雙沿調(diào)制的四開關(guān)Buck-Boost變換器[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2009, 29(12): 16-23.

Ren Xiaoyong, Ruan Xinbo, Li Mingqiu, et al. Dual edge modulated four-switch Buck-Boost converter[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(12): 16-23.

[10] Zhang Guidong, Yuan Jun, Yu S S, et al. Advanced four-mode-modulation-based four-switch non-inverting Buck-Boost converter with extra operation zone[J]. IET Power Electronics, 2020, 13(10): 2049-2059.

[11] Tsai Y Y, Tsai Y S, Tsai C W, et al. Digital noninverting- Buck-Boost converter with enhanced duty-cycle- overlap control[J]. IEEE Transactions on Circuits and Systems II: Express Briefs, 2017, 64(1): 41-45.

[12] 李山, 宋立風, 章治國. 四開關(guān)Buck-Boost變換器的三模式控制方法研究[J]. 電源學(xué)報, 2019, 17(3): 111-119.

Li Shan, Song Lifeng, Zhang Zhiguo. Study on three- mode control method for four-switch Buck-Boost converter[J]. Journal of Power Supply, 2019, 17(3): 111-119.

[13] 程盛. 直流微網(wǎng)柔性互聯(lián)開關(guān)控制策略研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2017.

[14] Wang Yuan, Lan Jianyu, Huang Xin, et al. An improved single-mode control strategy based on four-switch Buck-Boost converter[C]//2020 IEEE Applied Power Electronics Conference and Expo- sition, New Orleans, LA, USA, 2020: 1-6.

[15] Tsai C H, Tsai Y S, Liu H C. A stable mode-transition technique for a digitally controlled non-inverting Buck-Boost DC-DC converter[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(1): 475-483.

[16] Yu Zhe, Kapels H, Hoffmann K F. A novel control concept for high-efficiency power conversion with the bidirectional non-inverting Buck-Boost converter[C]// 2016 18th European Conference on Power Electronics and Applications, Karlsruhe, Germany, 2016: 1-10.

[17] 楊惠, 晁凱悅, 孫向東, 等. 基于矢量作用時間的雙向DC-DC變換器預(yù)測電流控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2020, 35(增刊1): 70-80.

Yang Hui, Chao Kaiyue, Sun Xiangdong, et al. Predictive current control method for bidirectional DC-DC converter based on optimal operating time of vector[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(S1): 70-80.

[18] Li Yu, Zhang Zhenbin, Li Kejun, et al. Predictive current control for voltage source inverters con- sidering dead-time effect[J]. CES Transactions on Electrical Machines and Systems, 2020, 4(1): 35-42.

[19] 丁雄, 林國慶. 三相并網(wǎng)逆變器的改進模型預(yù)測控制研究[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(3): 16-21.

Ding Xiong, Lin Guoqing. Research on three-phase grid-connected inverter based on discrete space vector model predictive control[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(3): 16-21.

[20] 耿強, 王亮, 周湛清, 等. 五橋臂逆變器雙永磁電機三矢量預(yù)測控制[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2021, 36(1): 87-95.

Geng Qiang, Wang Liang, Zhou Zhanqing, et al. Three-vector-based predictive control for dual permanent magnet synchronous motors fed by the five-leg inverter[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2021, 36(1): 87-95.

[21] 王禎, 尹項根, 陳玉, 等. 基于連續(xù)控制集模型預(yù)測控制的MMC橋臂電流控制策略[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2020, 44(10): 85-91.

Wang Zhen, Yin Xianggen, Chen Yu, et al. Arm current control strategy of modular multilevel con- verter based on continuous control set model predictive control[J]. Automation of Electric Power System, 2020, 44(10): 85-91.

[22] 梅楊, 陳麗莎, 黃偉超, 等. 級聯(lián)式雙向DC-DC變換器的優(yōu)化控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報, 2017, 32(19): 153-159.

Mei Yang, Chen Lisha, Huang Weichao, et al. Optimized control method of cascaded bi-directional DC-DC converters[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2017, 32(19): 153-159.

[23] 賈志東, 姜久春, 程龍, 等. 適用于Boost變換器的自適應(yīng)模型預(yù)測控制算法[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2018, 38(19): 5838-5845, 5941.

Jia Zhidong, Jiang Jiuchun, Cheng Long, et al. An adaptive model predictive control for DC-DC Boost converters[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(19): 5838-5845, 5941.

[24] 陳燕東, 羅安, 周樂明, 等. 一種功率前饋的魯棒預(yù)測無差拍并網(wǎng)控制方法[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(36): 62-70, 10.

Chen Yandong, Luo An, Zhou Leming, et al. A robust predictive deadbeat grid-connected control method based on power feed-forward control[J]. Proceedings of the CSEE, 2013, 33(36): 62-70, 10.

（編輯 陳 誠）

Multi-Mode Model Predictive Control Strategy for the Four-Switch Buck-Boost Converter

（National Active Distribution Network Technology Research Center Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China）

The four-switch Buck-Boost converter can operate in multiple operating modes, which is suitable for wide voltage range conversion occasions. How to choose a suitable operating mode and achieve smooth mode switching is the key issue to be solved. In this paper, a multi-mode model predictive control (MPC) strategy for the four-switch Buck-Boost converter was proposed. According to the voltage conversion requirements, four operating modes of the converter were determined. On the basis of the traditional Buck and Boost modes, two extended modes were adopted to eliminate the control dead zone that existed in the Buck and Boost modes when the input voltage was close to the output voltage. The predictive mechanism of the model predictive control method was used to realize the predictive current control of each operating mode, and at the same time, the most suitable operating mode was selected according to the duty cycle prediction results of different operating modes in the next control cycle. Simulation and experimental results demonstrate that the proposed control strategy can effectively select the most suitable operating mode of the four-switch Buck-Boost converter and achieve smoother mode switching, and has better dynamic response performance.

Four-switch Buck-Boost, multiple operating modes, model predictive control, mode switching

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210654

TM46

吳 巖 男，1995年生，博士研究生，研究方向為直流微電網(wǎng)控制、新能源發(fā)電技術(shù)。E-mail: 19117030@bjtu.edu.cn

曾國宏 男，1966年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為電力電子與電力傳動、新能源發(fā)電技術(shù)等。E-mail: ghzeng@bjtu.edu.cn（通信作者）

中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金項目（2021YJS161）和中國南方電網(wǎng)有限責任公司科技項目（090000KK52180116）資助。

2021-05-08

2021-10-25