CN106230352A - 基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统，包括主电路、采样电路、限幅、滤波调理电路、辅助电源、控制电路以及隔离、驱动电路。其中主电路主要由光伏电池板、第一级Buck、蓄电池、第二级Buck以及磁流变阻尼器组成，光伏电池板作为供电装置给蓄电池和磁流变阻尼器供电。采样电路采集光伏电池板输出电压和输出电流、蓄电池端电压、第一级Buck输出电流、磁流变阻尼器输出电压以及输出电流后，送入限幅、滤波调理电路进行信号处理，该信号经过隔离、驱动电路放大后驱动第一级Buck和第二级Buck中功率开关管的开通和关断，而辅助电源作用是给控制电路进行供电。

Description

基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统

技术领域

本发明涉及基于光伏发电系统的磁流变阻尼器(Magnetorheological fluiddamper，简称MRFD)能量管理控制系统，解决电路能量流动关系，使系统能高效稳定运行，用于类似MRFD需求电流的负载进行供电。

背景技术

为降低抵御飓风和地震的抗力，需要在建筑上加入MRFD，而由于MRFD中磁场的控制可以通过控制激磁电流来获得，所以MRFD的控制电源系统要能精确调节其电流大小。目前用于MRFD的直流电源系统需要接入电网才能对MRFD提供连续可控的电流，若MRFD工作在远离电网或不易获得电能等情况，电源系统无法对MRFD提供所需电流。

发明内容

本发明的技术解决问题：针对MRFD出现在远离电网或不易获得电能等问题，提出了一种基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统，可实现在远离电网或不易获得电能等情况电源系统对MRFD提供所需电流。

本发明的技术解决方案为：基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统，包括主电路6、采样电路7、限幅、滤波调理电路8、辅助电源9、控制电路10以及隔离、驱动电路11。

主电路6主要由光伏电池板1、第一级Buck2、蓄电池5、第二级Buck3以及磁流变阻尼器4组成。光伏电池板1通过串联防倒灌二极管12和并联电容13来连接第一级Buck2，防倒灌二极管12作用是防止电流向光伏电池充电，电容13作用是使输入端电流处于连续状态。第一级Buck2包括第一级Mosfet14、第一级续流二极管15、电感16以及滤波电容17，第一级Mosfet14接在防倒灌二极管12的负极和第一级续流二极管15的负极之间，第一级续流二极管15的负极接在第一级Mosfet14和电感16之间，第一级续流二极管15的正极接在电容13和滤波电容17之间，电感16接在第一级续流二极管15的负极和滤波电容17之间，滤波电容17并联蓄电池5和熔断器18两端，熔断器18和蓄电池5串联，二极管19并联在蓄电池5和熔断器18两端，作用是防止蓄电池5反接。第二级Buck3包括第二级功率开关管20和第二级续流二极管21，第二级Mosfet20接在二极管19的负极和第二级续流二极管21的负极之间，第二级续流二极管21并联在MRFD4两端。光伏电池板1与第一级Buck2输入端连接，其输出端并联蓄电池5和第二级Buck3输入端，第二级Buck3输出端接磁流变阻尼器4。光伏电池板1作为供电装置，通过第一级Buck2中第一级功率开关管14控制光伏电池板1输出电压或电流大小给蓄电池5和磁流变阻尼器4供电。若光照较强时，光伏电池板1不仅给磁流变阻尼器4供电，还可将多余能量给蓄电池5充电，此时蓄电池5可作为负载储存能量；若光照较弱或磁流变阻尼器4需求较多能量时，由光伏电池板1和蓄电池5同时给磁流变阻尼器4供电，此时蓄电池5可作为供电装置。由于磁流变阻尼器4出力大小与电流大小有关，为此第二级Buck3中第二级功率开关管20可控制磁流变阻尼器4输出电流大小。采样电路7采集主电路6中光伏电池板1输出电压U_pv、输出电流i_pv、蓄电池5端电压U_b、第一级Buck2输出电流i_L、磁流变阻尼器4输出电压U_mrfd以及输出电流i_mrfd后送入限幅、滤波调理电路8进行信号处理，得到信号：光伏电池板1输出电压U′_pv、输出电流i′_pv、蓄电池5端电压U′_b、第一级Buck2输出电流i′_L、磁流变阻尼器4输出电压U′_mrfd、输出电流i′_mrfd后，经控制电路10输出所需的信号，其信号经过隔离、驱动电路11放大后驱动器件第一级Buck2中第一级功率开关管14和第二级Buck3中第二级功率开关管20的开通和关断，而辅助电源9作用是给控制电路10进行供电。

所述主电路的基本参数为：

电感16计算：

滤波电容17计算：

式中U_b、U_pv为第一级Buck2输出、输入电压；i_L为第一级Buck2输出电流；t_off、T以及f分别为关断时间、采样周期以及采样频率；ΔU_b为纹波电压，取5％。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明所述基于光伏发电系统的MRFD能量管理控制系统，设计基于光伏发电系统，并利用该系统在远离电网或不易获得电能情况能高效、稳定对MRFD提供所需电流。

附图说明

图1为本发明所述的基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统结构图；

图2所示为控制电路框图；

图3所示为光伏电池板输出功率和MRFD输出电流的波形。

具体实施方式：

图1所示为本发明所述的基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统结构图，其中系统电路结构包括主电路6、采样电路7、限幅、滤波调理电路8、辅助电源9、控制电路10以及隔离、驱动电路11。

在主电路6中，光伏电池板1作为供电装置，通过串联防倒灌二极管12和并联电容13来连接第一级Buck2(包括第一级Mosfet14、第一级续流二极管15、电感16以及滤波电容17，第一级Mosfet14接在防倒灌二极管12的负极和第一级续流二极管15的负极之间，第一级续流二极管15的负极接在第一级Mosfet14和电感16之间，第一级续流二极管15的正极接在电容13和滤波电容17之间，电感16接在第一级续流二极管15的负极和滤波电容17之间)，其中滤波电容17并联蓄电池5和熔断器18两端，熔断器18和蓄电池5串联，二极管19并联在蓄电池5和熔断器18两端，作用是防止蓄电池5反接，防倒灌二极管12作用是防止电流向光伏电池充电，电容13作用是使输入端电流处于连续状态，通过控制第一级Buck2中第一级Mosfet14开通和关断来控制光伏电池板1输出电压和电流的大小。第一级Buck2输出端接蓄电池5，蓄电池5并联第二级Buck3(包括第二级Mosfet20和第二级续流二极管21，第二级Mosfet20接在二极管19的负极和第二级续流二极管21的负极之间，第二级续流二极管21并联在MRFD4两端)，通过控制第二级Buck3中第二级Mosfet20开通和关断能有效控制MRFD 4输出电流的大小。采样电路7(本发明采用3个霍尔电压传感器和3个霍尔电流传感器)采集主电路6的光伏电池输出电压U_pv、输出电流i_pv、蓄电池端电压U_b、第一级Buck输出电流i_L、MRFD输出电压U_mrfd以及输出电流i_mrfd信号后送入限幅、滤波调理电路8进行信号处理，得到信号(光伏电压U′_pv、光伏电流i′_pv、蓄电池电压U′_b、第一级Buck输出电流i′_L、MRFD输出电压U′_mrfd、MRFD输出电流i′_mrfd)经控制电路10(本发明采用的是TMS320LF28335)后输出所需的信号，其信号经过隔离、驱动电路11放大后驱动器件第一级Mosfet 14和第二级Mosfet 20的开通和关断，而辅助电源9作用是给控制电路10进行供电。

首先根据主电路确定电路基本参数：

表1光伏电池板基本参数

本发明选用额定电压为12V，容量为24Ah的蓄电池。

根据表1光伏电池板1基本参数和蓄电池5基本参数，主电路6中基本参数计算如下：

电感16值：

$L_1=\frac{U_b}{2i_L{t}_{off}}=\frac{U_b}{2i_{L}f}(1-\frac{U_b}{U_{pv}})=\frac{12}{2\×3.3483\×20\×{10}^3}(1-\frac{12}{17.7})=2.8853\×{10}^{-5}H$

实际选取电感值大于计算电感16值，为此选电感值为2.5mH。

滤波电容17值：

$C_2\≥\frac{U_b{T}^2}{8L_1{\mathrm{\ΔU}}_b}(1-\frac{U_b}{U_{pv}})=\frac{12}{8\×2.5\×{10}^{-3}\×12\×0.005\×{20}^2\×{10}^6}(1-\frac{12}{17.7})=8.0504\×{10}^{-6}F$

实际选取电容值大于滤波电容17值，为此选电容值为10uF。

图1所示控制电路10是系统控制的核心，其控制电路框图如图2所示，由光伏电池板1输出电压U′_pv、第一级Buck2输出电流i′_pv形成基于变步长扰动观察法控制方式得出控制信号d_pv、蓄电池5端电压U′_b、第一级Buck2输出电流i′_L与参考电压U_b-ref形成电压电流双闭环控制方式得出控制信号d_b以及MRFD4输出电流i′_mrfd和参考电流i_ref形成的电流单闭环控制方式得出控制信号d_mrfd，经过选通开关合理输出控制信号d₁驱动第一级Buck2中Mosfet14和控制信号d₂驱动第二级Buck3中Mosfet20的开通和关断。为控制选通开关输出相应控制信号，将光伏电池板1输出电压U′_pv、输出电流i′_pv、蓄电池5端电压U′_b、电流i′_b、MRFD4输出电流i′_mrfd以及电压U′_mrfd经系统能量管理控制输出x和y信号(x是第一级Buck2中Mosfet14的触发信号，y是第二级Buck3的Mosfet20的触发信号)，进而控制选通开关得出相应控制信号(即d₁和d₂)。

基于变步长扰动观察法：采集当前光伏电池板1输出电压和输出电流，并计算输出功率，将当前输出电压和输出功率与前一时刻输出电压和输出功率作差，经过

$U_{ref}=U_{ref}+\mathrm{\α}\frac{dP}{dU}=U_{ref}+\mathrm{\α}\frac{P\left(k\right)-P(k-1)}{U\left(k\right)-U(k-1)}$

公式计算得到参考电压值U_ref。其中U_ref为光伏电池板1的参考电压；P(k)、P(k-1)分别是第k、k-1时刻光伏电池板1的输出功率；U(k)、U(k-1)分别是第k、k-1时刻光伏电池板1的输出电压；α为变步长速度因子，可根据

和得到。其中U_{step_max}为最大步长，取0.05；m是光伏电池板1开路电压的比例系数，取0.98；U_oc是光伏电池板1的开路电压；P|_U＝mUoc是光伏电池板1输出电压U＝mU_oc时对应功率；P|_U＝Uoc是光伏电池板1输出电压U＝U_oc时对应功率，该功率为0。

电压电流双闭环控制中补偿网络计算：首先电流内环的控制对象：由于PWM发生器的传递函数为：其中U_PWM为载波的峰值，其值取1。对控制对象进行补偿，使开环传递函数G_id(s)G_c1(s)G_PWM满足以下要求：取截止频率为采样频率1/10～1/6，即截至频率取4000Hz。低频段斜率为-20dB/dec，以保证稳态误差要求；中频段对数幅值特性曲线的截止频率所对应斜率为-20dB/dec，并占据充分宽的宽带；高频段斜率小于等于-40dB/dec，以消弱噪音对系统的影响；为此可得电流内环补偿网络：电压外环控制对象：同理求出补偿网络：

由于MRFD4出力大小受电流大小的影响，作为第二级Buck3电路的控制对象，可采用电流单闭环控制，其补偿网络D_c3(s)计算：第二级Buck3电流环控制对象函数：其中U_b是第二级Buck3输入电压(即蓄电池端电压)；L_m为MRFD4等效电感，为2.45mH；R_m为MRFD4等效电阻，为1.2Ω；其补偿网络的求解方法和上述电压电流双闭环控制一样，补偿网络为：

采用本发明所述的基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统，进行控制的方法步骤为：

①采集主电路中光伏电池板1输出电压U′_pv、输出电流i′_pv，磁流变阻尼器4输出电压U′_mrfd、输出电流i′_mrfd、蓄电池5端电压U′_b以及第一级Buck2输出电流i′_L，计算光伏电池板1输出功率P′_pv和磁流变阻尼器4输出功率P′_mrfd；

②为提高光伏电池板输出效率，加快蓄电池充电速度，使系统能高效稳定地给MRFD提供电流，设置系统工作模式为：第一级Buck 2采用基于变步长的扰动观察法，第二级Buck 3采用电流单闭环控制。

设置基于变步长的扰动观察法的采样间隔时间为0.0001s，采集当前光伏电池板1输出电压和输出电流，并计算输出功率，将当前输出电压和输出功率与前一时刻输出电压和输出功率作差，经过公式计算得到参考电压值U_ref，将其与采样输出电压作差，依次经过PID调节器和PWM发生器得到控制信号d_pv，用其驱动Mosfet14控制光伏电池板1输出最大功率。其中U_ref为光伏电池板1的参考电压；P(k)、P(k-1)分别是第k、k-1时刻光伏电池板1的输出功率；U(k)、U(k-1)分别是第k、k-1时刻光伏电池板1的输出电压；α为变步长速度因子，取0.05。PID参数：比例参数K_p是0.05，积分参数K_i是0.00001，微分参数K_d是0.004。光伏电池板输出功率的仿真结果如图3曲线22所示：设置光照强度为1000W/m²，温度为25℃，光伏电池板最大输出功率P_pv为40.5W左右，与光伏电池板理论最大输出功率为41.179W(即表1中最大电流2.27A与最大电压17.7V的乘积)相差不大。

为准确控制磁流变阻尼器电流大小，可将采集MRFD输出电流与参考电流作差，经过补偿网络G_c3(s)校正和PWM发生器得到的信号d_mrfd来驱动Mosfet20，进而控制MRFD输出电流大小。MRFD输出电流的仿真结果如图3曲线23所示：在0～0.1s时，设置参考电流为1.5A，在0.1s～0.2s时，设置参考电流为0.5A，曲线23在0～0.1s时输出电流为1.5A左右，在0.1～0.2s时输出电流为0.5A左右，说明系统能准确地给MRFD提供所需电流值。

Claims (2)

1.基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制系统，其特征在于：系统电路包括主电路(6)、采样电路(7)、限幅、滤波调理电路(8)、辅助电源(9)、控制电路(10)以及隔离、驱动电路(11)。主电路(6)主要由光伏电池板(1)、第一级Buck(2)、蓄电池(5)、第二级Buck(3)以及磁流变阻尼器(4)组成。光伏电池板(1)通过串联防倒灌二极管(12)和并联电容(13)来连接第一级Buck(2)，防倒灌二极管(12)作用是防止电流向光伏电池板充电，电容(13)作用是使输入端电流处于连续状态。第一级Buck(2)包括第一级Mosfet(14)、第一级续流二极管(15)、电感(16)以及滤波电容(17)，第一级Mosfet(14)接在防倒灌二极管(12)的负极和第一级续流二极管(15)的负极之间，第一级续流二极管(15)的负极接在第一级Mosfet(14)和电感(16)之间，第一级续流二极管(15)的正极接在电容(13)和滤波电容(17)之间，电感(16)接在第一级续流二极管(15)的负极和滤波电容(17)之间，滤波电容(17)并联蓄电池(5)和熔断器(18)两端，熔断器(18)和蓄电池(5)串联，二极管(19)并联在蓄电池(5)和熔断器(18)两端，作用是防止蓄电池(5)反接。第二级Buck(3)包括第二级功率开关管(20)和第二级续流二极管(21)，第二级Mosfet(20)接在二极管(19)的负极和第二级续流二极管(21)的负极之间，第二级续流二极管(21)并联在MRFD(4)两端。光伏电池板(1)与第一级Buck(2)输入端连接，其输出端并联蓄电池(5)和第二级Buck(3)输入端，第二级Buck(3)输出端接磁流变阻尼器(4)。光伏电池板(1)作为供电装置，通过第一级Buck(2)中第一级功率开关管(14)控制光伏电池板(1)输出电压或电流大小给蓄电池(5)和磁流变阻尼器(4)供电。若光照较强时，光伏电池板(1)不仅给磁流变阻尼器(4)供电，还可将多余能量给蓄电池(5)充电，此时蓄电池(5)可作为负载储存能量；若光照较弱或磁流变阻尼器(4)需求较多能量时，由光伏电池板(1)和蓄电池(5)同时给磁流变阻尼器(4)供电，此时蓄电池(5)可作为供电装置。由于磁流变阻尼器(4)出力大小与电流大小有关，为此第二级Buck(3)中第二级功率开关管(20)可控制磁流变阻尼器(4)输出电流大小。采样电路(7)采集主电路(6)中光伏电池板(1)输出电压U_pv、输出电流i_pv、蓄电池(5)端电压U_b、第一级Buck(2)输出电流i_L、磁流变阻尼器(4)输出电压U_mrfd以及输出电流i_mrfd后送入限幅、滤波调理电路(8)进行信号处理，得到信号：光伏电池板(1)输出电压U′_pv、输出电流i′_pv、蓄电池(5)端电压U′_b、第一级Buck(2)输出电流i′_L、磁流变阻尼器(4)输出电压U′_mrfd、输出电流i′_mrfd后，经控制电路(10)输出所需的信号，其信号经过隔离、驱动电路(11)放大后驱动器件第一级Buck(2)中第一级功率开关管(14)和第二级Buck(3)中第二级功率开关管(20)的开通和关断，而辅助电源(9)作用是给控制电路(10)进行供电。

2.根据权利要求1所述的基于光伏发电系统的磁流变阻尼器能量管理控制方法，其特征在于：所述主电路(6)的基本参数为：

电感(16)计算：

滤波电容(17)计算：

式中U_b、U_pv为第一级Buck(2)输出、输入电压；i_L为第一级Buck(2)输出电流；t_off、T以及f分别为关断时间、采样周期以及采样频率；ΔU_b为纹波电压，取5％。