吴岩、王玮、曾国宏、吴学智、唐芬等来自国家能源主动配电网技术研发中心（北京交通大学）的研究团队，于2022年5月在《电工技术学报》（Transactions of China Electrotechnical Society）第37卷第10期发表了题为《四开关Buck-Boost变换器的多模式模型预测控制策略》（Multi-mode Model Predictive Control Strategy for the Four-Switch Buck-Boost Converter）的研究论文。这项研究聚焦于电力电子领域的DC-DC变换器控制技术，旨在解决四开关Buck-Boost（FSBB）变换器在宽电压范围应用中存在的控制死区与模式切换难题。
学术背景
随着光伏、储能等直流型分布式电源的普及，低压直流微电网对高效、宽范围电压转换的需求日益突出。FSBB变换器因其输入输出同极性、开关管电压应力低、双向能量流动等特性，成为储能接口和光伏发电系统的理想选择。然而，传统控制方法（如Buck/Boost双模式控制）在输入输出电压接近时会出现控制死区（control dead zone）和模式频繁切换问题，导致系统不稳定。现有研究虽提出三模式控制等改进方案，但仍存在参数整定复杂、动态性能不足等缺陷。为此，研究团队提出基于模型预测控制（Model Predictive Control, MPC）的多模式策略，以提升FSBB变换器的控制连续性与动态响应能力。
研究流程与方法
研究分为理论建模、控制策略设计、仿真验证和实验验证四个阶段：
理论建模与问题分析
- 首先，团队建立了FSBB变换器的连续时域数学模型（式1-2），分析了其四种工作模态（图2）。通过推导电压增益公式（式3），指出传统Buck/Boost模式在电压比接近1时因占空比限制（d1,max/d2,min）产生的控制死区。
- 关键发现：单自由度控制的中间模式（如固定d1=dm）虽能缓解死区问题，但会导致电感电流纹波增加（式8-9）。
多模式MPC策略设计
- 模式划分：在传统Buck/Boost模式基础上，新增扩展Buck（e-buck）和扩展Boost（e-boost）两种中间模式（图4）。e-buck模式固定d2=d2,min仅调节d1；e-boost模式固定d1=d1,max仅调节d2，从而消除死区。
- 预测模型：针对四种模式分别建立离散状态方程（式4-7），通过MPC预测下一周期电感电流和占空比（表1）。
- 模式选择算法：引入占空比滞环（h1/h2，图5）避免边界频繁切换，根据预测结果动态选择最优模式（图7）。
- 延时补偿：采用超前一步预测（k+2时刻占空比更新至k+1周期）补偿数字控制延时。
仿真与实验验证
- 仿真平台：基于MATLAB/Simulink搭建模型，对比传统PI双闭环控制。
- 动态响应测试：电感电流阶跃变化时，MPC策略的调节时间（3周期）显著优于PI控制（1.1ms）（图9）。
- 负载突变测试：Buck/Boost/中间模式下，MPC的输出电压跌落（3-3.4V）小于PI控制（3.4-4.4V），且恢复速度快约40%（图11）。
- 模式切换测试：输入电压阶跃变化时，MPC策略的切换过程平滑，无电压跳变（图13-14）。
- 实验平台：参数与仿真一致（表2），结果验证了仿真结论（图10/12）。
- 对比分析：与三模式控制相比，四模式策略在中间模式下电感电流纹波降低42%（0.3A vs 0.52A），平均电流减少7%（图17-18）。
主要结果与结论
- 控制性能提升：所提策略实现了FSBB变换器在宽电压范围内的无死区连续控制，动态响应速度较PI控制提升60%以上。
- 模式切换优化：滞环机制与MPC预测结合，使模式切换过程平滑，输出电压波动降低50%-70%（表3）。
- 效率改善：四模式划分减少了中间模式的导通损耗，电感电流纹波和平均值均优于传统三模式控制。
科学价值与应用意义
- 理论贡献：提出了基于MPC的多模式自适应控制框架，为复杂工况下的电力电子变换器设计提供了新思路。
- 工程价值：该策略可直接应用于光伏储能系统、电动汽车等需要宽范围电压转换的场景，提升系统稳定性和能效。
研究亮点
- 创新性控制架构：首次将MPC与四模式划分结合，解决了FSBB变换器的死区与切换震荡问题。
- 算法优化：占空比滞环与超前预测的协同设计，兼顾了动态性能与鲁棒性。
- 全面验证：通过仿真与实验的多维度对比，证实了策略的普适性和优越性。
其他有价值内容
研究还指出，未来可进一步探索MPC参数的自适应调整，以应对更复杂的负载变化。该成果获得了中央高校基本科研业务费和中国南方电网科技项目的支持，体现了其产学研结合的应用潜力。