CN107272445A - 一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法 - Google Patents

一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法 Download PDF

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Abstract

一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，属于车电互联(V2G)技术与电力电子技术领域。包括以下步骤：步骤A、构建电动汽车充放电的模型；步骤B、自抗扰控制器概述；步骤C、建立双向充放电系统中AC/DC和DC/DC的数学模型，并根据充放电系统两级系统模型建立自抗扰控制器；步骤D、仿真分析。其技术效果有：①克服了一般PID控制系统超调较大的缺欠，有效地解决了参数时变对系统解耦性能的影响以及控制系统存在的快速性与平稳性矛盾。②自抗扰控制器不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力：仿真结果表明自抗扰控制器对模型的不确定性以及测量噪声的鲁棒性较好，而且它还具有较优的动态性能。

Description

一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于自抗扰控制(Active Disturbance Rejection Control，ADRC)的PWM充放电电路建模方法，属于电力电子技术和车电互联(V2G)技术领域，特别是一种自抗扰控制器实现的电动汽车充放电系统新型控制方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，以及社会对节能环保的要求，电动汽车作为一种节能、高效、无污染的现代交通工具，在生活中得到了越来越多的应用，而且会逐步成为城市交通工具的主导。而其中的充电机，对电动汽车的应用起着关键性作用。随着电网智能水平以及电动汽车保有量的大幅提高，未来电动汽车的车载电池可能作为智能电网中的移动储能单元，在电网高峰负荷时一段由电动汽车车载电池向电网传输电能，而在电网非高峰负荷时一段由电网为电动汽车车载电池充电，这种双向的电能流动称为车电互联(Vehicle toGrid，V2G)。V2G技术的应用能够有效降低电网峰谷差，降低传统调峰备用发电容量，提高电网利用效率；而且在可再生能源发电比重较高的微电网系统中可以有效平衡可再生能源发电功率的波动性和电网负荷状态之间的不同步性，辅助电网有效接纳波动的可再生能源发电容量。
目前，晶闸管移相控制仍是国内使用最广泛的电动汽车蓄电池充放电技术，但这种技术存在电网侧电流波形畸变严重、功率因数低、对电网污染严重等缺点。随着电力电子技术的发展，采用DC/DC变换器技术的充放电系统逐步得到推广。该系统由隔离的DC/DC变换器和降压斩波器组成，缺点是在电池放电时只能对电阻放电，电能不能回馈电网，因而会造成能量的大量浪费。因此，有必要采用一种适合整流器及控制电路对其进行分析和建模，改善其谐波影响。研究一种新的控制方法也是对电力电子电路分析的一个重要研究内容。为此，在常规电力电子变换器拓扑结构的基础上，基于自抗扰控制而提出了一种由电压型PWM整流器构成的具有功率因数高、工作频率高、体积小和谐波含量小等特点的电动汽车V2G双向充放电装置，其放电能量可以全部回馈电网，以提高能量的利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新颖的PWM充放电电路建模方法，找到一种基于观测器的具有智能性的控制策略，它不依赖于对象的精确数学模型；具有较高动态性能，能抑制参数变化、扰动及各种不确定性干扰，即鲁棒性强；算法简单，设计和参数调节容易，使用方便。
本发明的技术方案是:
为了达到上述目的，本发明提供了一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤A、构建电动汽车充放电的模型；
步骤B、自抗扰控制器概述；
步骤C、建立双向充放电系统中AC/DC和DC/DC的数学模型，并根据充放电系统两级系统模型建立自抗扰控制器；
步骤D、仿真分析。
进一步的，所述的自抗扰控制器是基于扩张状态观测器ESO的自抗扰控制。
进一步的，所述的自抗扰控制器的电动汽车充电系统是将自抗扰控制器应用在电动汽车充电机模块中，将其中的电动汽车充电机的数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型，从而利用自抗扰控制器将系统的未建模动态，对象的不确定性及未知外扰一并给予估计和补偿。
进一步的，所述的仿真分析是基于LADRC，建立了同步旋转坐标系下电流、电压空间矢量的充放电系统模型。
进一步的，步骤B中自抗扰控制器是一种鲁棒控制，是把对象模型的不确定性当作系统的内扰，它和系统的外扰均被看成系统的扰动，而通过扩张状态观测器对系统中包括内扰和外扰的总扰动综合作用进行估计和补偿。
进一步的，自抗扰控制器是由微分跟踪器、扩张状态观测器、非线性组合三部分组成；其中微分跟踪器用于安排过渡过程，其中扩张状态观测器通过系统输入输出来估计系统状态和系统的总扰动，其中非线性组合利用安排的过渡过程与状态估计之间误差的非线性组合及扰动估计量来生成控制信号。
本发明的优点和有益效果:
对于电动汽车的双向充放电系统，以往大量的研究都在PI控制，传统PI控制具有不依赖模型的优点，但其控制存在快速性与超调之间的矛盾。为解决这一问题，采用了线性自抗扰控制技术，该控制器在简化控制系统的同时与传统PI控制器相比：①克服了一般PID控制系统超调较大的缺欠，有效地解决了参数时变对系统解耦性能的影响以及控制系统存在的快速性与平稳性矛盾；②自抗扰控制器不依赖于被控系统的具体数学模型并对内外扰有较强的抗扰能力：仿真结果表明自抗扰控制器对模型的不确定性以及测量噪声的鲁棒性较好，而且它还具有较优的动态性能。
附图说明
附图1本发明电动汽车充放电系统基本结构示意图；
附图2本发明电动汽车充放电系统AC/DC控制策略示意图；
附图3本发明电动汽车充放电系统DC/DC控制策略示意图；
附图4本发明电动汽车充放电系统AC/DC的LADRC结构框图；
附图5本发明电动汽车充放电系统DC/DC的LADRC结构框图。
具体实施方式
实施例：
图1为V2G双向充放电装置的基本结构示意图。其主回路主要由三相交流电源、变流模块、软启动电路和蓄电池组4部分构成。变流模块采用由IGBT模块构成的电压型PWM整流器，输出采用电容滤波。
PWM整流器充电时工作在整流状态，放电时工作在逆变状态，蓄电池的电能回馈电网。控制回路包含电压电流采样电路，同步信号处理单元，微机控制单元。电压电流采样电路完成电压、电流模拟信号的采集和处理，并将处理后的信号传送到微机控制单元；微机控制单元以高端DSP器件TMS320F2812为核心，在获取充放电指令、工作模式、参数设置等信息后，在自检系统无故障情况下，根据特定运行模式开始工作，利用检测电路采集到的电压、电流等反馈信号进行系统闭环控制并驱动变流模块单元，进而完成蓄电池的充放电控制。故障诊断处理单元主要进行缺相、过流、超温等系统保护。
本发明基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法(见图2、图3)本发明中，步骤A中的电动汽车充电机的动态数学模型是一个非线性、强耦合的多变量系统。建立三相全桥电压源型逆变器的数学模型是对其进行理论分析的基础，是设计合理的控制参数的前提。为了简化模型，方便研究，做如下假设：
1)所有开关器件均为理想器件，忽略死区时间；
2)开关频率远大于输出电压频率，在相邻几个开关周期内输入电压和输出电压均保持不变；
3)滤波电感为线性的，不考虑饱和；滤波电容为理想电容，忽略寄生电感和寄生电阻。
由于AC/DC变流器属于混杂是系统，存在开关元件，传统建模利用开关特性建模，而对于LADRC控制器具有估计并消除系统扰动的特性，不需要知道系统精确数学模型的特性，可采用占空比的方式建模：
根据图1的AC/DC等效模型电路图，由电路的基尔霍夫定律，可以得到PWM变流器的a、b、c三相坐标系下的状态方程：
采用式(1)的三相静止坐标系进行三相PWM变流器的间接电流控制，是无法实现电流无静差控制和优良的动静态性能的。因此，为得到更好的控制效果，需采用同步旋转坐标系电流控制，即将式(1)变换到d-q坐标系下，可得微分状态方程为:
由式(2)可知：d轴与q轴变量互相耦合，会给控制系统设计带来一定的困难。为此可采用自抗扰控制策略，将具有耦合的量当做扰动进行处理。其中电压控制是AC/DC的关键，当充放电系统的工作在充电状态时，AC/DC变流器处于整流状态，需要维持中间直流电压udc的稳定，为DC/DC提供稳定的电压支撑。而工作在放电状态下，AC/DC工作在逆变状态，其则需要维持交流母线电压稳定。
本发明外环交流输出电压采用线性自抗扰控制结构，根据电压差量迅速进行调节，补偿非线性扰动，稳定输出电压；内环电流环采用传统PI控制，以提升电流响应的快速性。当系统存在来自外部或内部扰动时，可能会引起并网冲击电流，线性自抗扰控制技术具有较强的抗干扰能力，可以对扰动信号进行消纳，及较短的暂态过程，可为微电网系统的安全运行提供保障。同时加入系统模型，及时跟踪参考电压信号，增强控制系统的灵活性。根据式(2)：选取ud、uq作为一阶系统设计外环LADRC控制的状态变量。由此，为维持交流母线电压稳定，可令交流母线电压dq轴分量ud和uq分别作为状态变量，系统参数b0＝1/Cdc以及控制率u＝id，设计二阶LADRC控制器对交流母线电压进行控制，从而实现AC/DC放电控制。
相对于孤网下垂控制，而对于并网后的PQ控制，由配电网提供电压支撑，通过电网调度指令给定有功P和无功Q的大小，然后根据瞬时无功率理论计算得到有功电流和无功电流大小作为控制器参考值，所以仅需要根据实时的有功功率和无功功率对电流环进行控制，则只采用单环电流PI控制。
当双向DC/DC变换器工作于boost模式时，控制高压侧电压稳定；当双向DC/DC变换器工作于buck模式时，控制低压侧电压稳定。因此，对于DC/DC变换器工作的不同模式，需要分别设计控制器。
参见附图4，设计本发明步骤C中的充电模式自抗扰控制器，恒压控制采用外环动力电池端电压和内环电感电流双闭环控制，电流内环的作用是按电压外环输出的电流指令进行电流控制，提高系统的动态响应。电压外环的作用是为了维持动力电池端电压的稳定。
参见附图5，其放电模式与充电模式下buck的控制类似，采用电压电流双闭环控制策略以稳定中间直流电压，而电流内环可使系统具有快速限制电池电流的能力。选取uc作为外环LADRC控制状态变量，同时以iL作为控制率u对内环作为参考输入设计控制器。
通过A/D采样得到电压ua、ub、uc，电流ia、ib、ic，经过3s/2r变换将整流器在三相坐标系中的系统变量变换到两相同步旋转d-q坐标系中，得到d轴和q轴的分量ed、eq、id、iq。直流电压给定值与反馈值(或直流电流给定值和反馈值)的差值通过PI调节器控制；中间直流电压udc与参考直流电压udcref进行比较，并根据不同状态加以模型进行自抗扰控制；通过电网调度指令给定有功P和无功Q的大小，然后根据瞬时无功率理论计算得到有功电流和无功电流大小作为控制器参考值；最后通过PWM的空间矢量调制算法，即可生成相应6路驱动脉冲控制三相整流桥IGBT的通断，最终满足蓄电池充放电特性的需求。充放电模式切换控制主要实现恒流充电、恒压限流充电、涓流充电的阶段控制，以及直流电压和直流电流外环控制的平滑切换动作。
本发明步骤D中的仿真分析是基于LADRC，建立了同步旋转坐标系电流控制、电压空间矢量控制及自抗扰控制的电动汽车充放电系统，为了研究该系统的动态性能和对参数的鲁棒性，与传统PI调节的电动汽车充放电系统进行了比较。利用MATLAB/SIMULINK对恒流充电、恒压限流充电、涓流充电的阶段进行了大量的仿真研究。仿真结果表明整个系统具有很好的动、静态性能；对运行工况的变化具有良好的适应性，并且对负载扰动、系统参数变化等具有较好的鲁棒性；结构简单，设计和参数调节容易。分析原因，是因为线性自抗扰控制继承了自抗扰控制的优点，尤其是LESO像ESO一样能估计系统在运行过程中受到的各种内部与外部扰动的总和并加以完全补偿，从而使系统线性化为积分串联型结构，进而简化了控制对象，提高了系统的性能。显然，仿真实验结果证明了系统采用的LADRC和观测器的有效性与可行性。
应当明确的是，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，按本发明构思所做出的显而易见的改进和修饰都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于，至少包括以下步骤：
步骤A、构建电动汽车充放电的模型；
步骤B、自抗扰控制器概述；
步骤C、建立双向充放电系统中AC/DC和DC/DC的数学模型，并根据充放电系统两级系统模型建立自抗扰控制器；
步骤D、仿真分析。
2.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：所述的自抗扰控制器是基于扩张状态观测器ESO的自抗扰控制。
3.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：所述的自抗扰控制器的汽车充电系统是将自抗扰控制器应用在电动汽车充电机模块中，将其中的电动汽车充电机的数学模型化成自抗扰控制器所需要的标准型，从而利用自抗扰控制器将系统的未建模动态，对象的不确定性及未知外扰一并给予估计和补偿。
4.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：所述的仿真分析是基于LADRC，建立了同步旋转坐标系下电流、电压空间矢量的充放电系统模型。
5.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：步骤B中自抗扰控制器是一种鲁棒控制，是把对象模型的不确定性当作系统的内扰，它和系统的外扰均被看成系统的扰动，而通过扩张状态观测器对系统中包括内扰和外扰的总扰动综合作用进行估计和补偿。
6.根据权利要求1所述的基于自抗扰控制器的电动汽车充放电控制方法，其特征在于：自抗扰控制器是由微分跟踪器、扩张状态观测器、非线性组合三部分组成；其中微分跟踪器用于安排过渡过程，其中扩张状态观测器通过系统输入输出来估计系统状态和系统的总扰动，其中非线性组合利用安排的过渡过程与状态估计之间误差的非线性组合及扰动估计量来生成控制信号。
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