模块化多端口DC-DC变换器的鲁棒控制策略及其在可再生能源集成中的应用

《IEEE Open Journal of Power Electronics》：Robust Control of Modular Multiport DC–DC Converter

本文针对模块化多端口DC-DC变换器（MMPC）在多能源集成系统中存在的多变量耦合、参数不确定性和扰动抑制等控制难题，提出了一种基于μ综合的混合鲁棒控制方法。研究人员通过建立n级升压型多端口变换器（MPDCnLSU）的非线性动力学模型，采用D-G-K迭代算法设计了外环电压控制器，结合内环PI电流调节器，实现了在输入电压波动、负载变化和参数不确定条件下的稳定运行。硬件在环（HIL）和实验结果表明，该方法能有效提升系统的鲁棒性和动态性能，为直流微电网中可再生能源的高效集成提供了关键技术支撑。

　　

随着风电、光伏等可再生能源在直流微电网中的广泛应用，如何高效整合多个分布式电源、储能系统和负载成为技术难点。传统方案采用多个独立DC/DC变换器（SISO）分别连接各电源，再汇流至公共直流母线，但存在系统复杂、成本高、功率密度低等问题。更棘手的是，多输入多输出（MIMO）的模块化多端口变换器（MPC）虽能简化结构，却面临内部变量耦合、非线性动态特性以及参数摄动带来的控制挑战。这类系统往往存在右半平面零点（RHP zeros），且传统解耦网络对模型精度依赖过高，难以在实际扰动下保持稳定。

为解决上述问题，发表在《IEEE Open Journal of Power Electronics》上的这项研究，提出了一种针对非隔离型模块化多端口DC-DC变换器（MMPC）的鲁棒控制策略。该研究以n级升压型多端口DC-DC变换器（MPDC_nL^SU）为对象，通过建立其非线性动态方程，并线性化得到状态空间模型，进而设计双环控制器：外环采用基于D-G-K迭代的μ综合方法调节端口电压，内环通过多个PI控制器平衡并联模块间的电流分配并生成PWM信号。这种混合式控制结构兼具集中式控制的鲁棒性和分散式实现的简便性，显著降低了系统的保守性。

关键技术方法包括：首先推导MPDC_nL^SU的通用非线性动力学方程，并以三级升压拓扑（MPDC_3L^SU）为案例进行线性化建模；其次，通过D-G-K算法处理实值参数不确定性（输入电压±10%、负载及电容容差），合成降阶鲁棒控制器；最后，利用OPAL-RT 4610硬件在环平台和实际样机验证控制性能，采样频率设为开关频率（20kHz）的三倍。

研究结果

A. 鲁棒控制器设计与性能验证

通过D-G-K迭代算法，系统结构化奇异值（μ）峰值从初始的7.9478降至0.9242，表明鲁棒性能显著提升。控制器经Hankel奇异值降阶后，从19阶降至5阶，仍保持与全阶控制器相近的扰动抑制能力（图4-7）。与仅考虑复值不确定性的D-K算法相比，混合μ分析方法的响应超调量更低（电压超调<9%），证实其更适应实际参数变化。

B. HIL测试与实验结果

在输入电压突变（48V→42V→52V）场景下，输出端口电压[v_[1], v_[2], v_[3]]能快速跟踪参考值（120V/180V/240V），电容电压调整率误差小于±2%（图9-10）。负载阶跃变化（±10%）时，系统功率重新分配，电源输出功率从174W增至223W，而负载功率保持稳定（279W/131W），验证了电压环的抗干扰能力（图13-15）。双向运行测试中，电流源I_S[1]从+2A切换至-2A时，系统平滑过渡至能量回馈模式，各端口电压无显著波动（图16）。

C. 参数鲁棒性验证

在电容、电感值偏离标称值10%的苛刻条件下，控制器仍能维持输出电压稳定，最大电压暂态偏差控制在±5.8%以内（图17-18）。实验对比显示，D-G-K算法较D-K算法进一步降低了超调（v_[3]超调从6.7%降至4.58%），体现了实值不确定性处理的优势（图20-26）。

结论与意义

本研究提出的混合鲁棒控制策略，有效解决了MMPC系统中的多变量耦合和参数敏感性问题。通过μ综合方法将实值参数不确定性纳入设计框架，结合内外环协同控制，实现了在输入扰动、负载变化及元件容差下的稳定运行。实验结果表明，该方法不仅动态响应快、超调小，且控制器阶数低，便于实际应用。该研究为直流微电网中高比例可再生能源的即插即用式集成提供了理论依据和工程解决方案，对提升系统可靠性与能效具有重要推广价值。