相移调制双有源桥拓扑集群的连续控制集预测控制与噪声容限策略研究

《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》：Continuous-Control-Set Predictive Control and Noise Tolerance Strategy for Phase-Shift Modulation DAB Topological Clusters

　　本文针对传统模型预测控制(MPC)在相移调制双有源桥(DAB)拓扑集群应用中存在的高模型参数敏感性和采样噪声干扰问题，提出了一种基于简化模型的连续控制集预测控制策略。研究人员通过建立统一简化预测模型结合卡尔曼滤波算法，有效降低了模型依赖性和计算负担；通过重新定义噪声容限系数，在保持优异动态性能的同时显著拓宽了系统噪声容限范围。实验证明该策略具有通用性强、计算负担低、动态性能好等优势，为电力电子变换器的鲁棒控制提供了新思路。

　　

随着分布式电源和储能设备大量接入电网，双向隔离DC/DC变换器在直流微电网、电动汽车和光伏发电等领域扮演着关键角色。其中，双有源桥(DAB)变换器、双桥串联谐振变换器(DBSRC)和CLLC变换器等拓扑结构因其具有双向功率流能力而备受关注。相移调制技术凭借其自由度度高、开关频率固定和动态响应快等优势，成为这些拓扑的首选调制策略。然而，传统模型预测控制(MPC)在实际应用中面临两大挑战：一是对模型参数精度极度敏感，磁性元件参数在实际运行中的漂移会导致稳态误差；二是对采样噪声的耐受性差，微小的电压波动就会引起控制变量的剧烈跳变，严重影响系统稳定性。

为解决这些难题，发表在《CPSS Transactions on Power Electronics and Applications》上的研究提出了一种创新的连续控制集预测控制策略。该研究首先深入分析了相移调制变换器的工作机理，以DBSRC为例量化了模型参数失配和建模方法导致的稳态误差。研究发现，电感参数失配会引发电压偏差，且随着传输功率增大而加剧；而基于基波谐波分析(FHA)的建模方法本身就会引入固有误差。

关键技术方法包括：建立适用于不同DAB拓扑的统一简化预测模型，将输出电压偏差表示为ΔV₂(k)=G(k)·D(k)-I_o(k)/(C₂f_c)；采用卡尔曼滤波算法实时校正控制增益G(k)；引入噪声容限系数Y重构模型参数，通过两步预测控制算法补偿计算延迟。实验平台以TMS320F28379D为核心控制器，验证了DAB变换器和DBSRC两种拓扑的控制效果。

动态性能比较

当负载从40Ω突增至20Ω时，传统PI控制的恢复时间达66-75ms，而SMPC策略几乎保持输出电压不变，表现出与传统MPC相当的快速动态响应。实验波形显示，基于卡尔曼滤波的SMPC在维持优异动态性能的同时，有效解决了参数敏感性问题。

参数敏感性抑制

在模型参数存在50%失配的情况下，传统MPC策略在DAB变换器和DBSRC上分别产生0.75V和0.92V的稳态误差，而SMPC策略通过实时校正控制增益，完全消除了稳态误差，证明其对模型参数变化具有强鲁棒性。

噪声敏感性抑制

通过调节噪声容限系数Y（从0.03增至0.12），DAB变换器在250W功率下谐振电流降低32.4%，DBSRC在相同条件下电感电流降低52.9%。这表明SMPC策略能显著降低能量存储单元的电流应力，提高系统对高频采样噪声的耐受性，同时不牺牲动态性能。

运行时间比较

相较于传统MPC，SMPC策略在DAB变换器和DBSRC上的计算时间分别减少29%和51%，且完全消除了控制目标偏差。虽然其运行时间仍长于PI控制，但在传感器数量相同的情况下实现了更优的动态性能。

该研究通过理论分析和实验验证，成功解决了模型预测控制在工程应用中的两大核心难题。所提出的简化模型具有通用性强、计算效率高的特点，噪声容限策略在保证动态性能的前提下显著提升了系统鲁棒性。这项研究为电力电子变换器的高性能控制提供了重要技术支撑，对推进新能源发电、电动汽车等领域的功率转换技术发展具有积极意义。