CN108631591A - 一种双向dc-dc变换器预测电流的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开的双向DC‑DC变换器预测电流的控制方法，具体按照如下步骤实施：首先由双向DC‑DC变换器数学模型得出离散状态下蓄电池电流预测模型，其次根据无差拍预测电流控制原理，计算出在k+1时刻，双向DC‑DC变换器工作在Boost模式下的导通矢量a作用时间、关断矢量b作用时间和在Buck模式下的导通矢量c作用时间、关断矢量d作用时间；然后根据各个矢量作用时间设计目标函数g_Boost和g_Buck，由此得到开关管S₂工作信号和开关管S₁工作信号；最后将开关管S₂工作信号和开关管S₁工作信号分别作用于开关管S₂和开关管S₁，解决传统预测电流控制方法中因开关频率不固定而造成的系统电流纹波较大问题。

Description

一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法

技术领域

本发明属于变换器的工作模式控制方法技术领域，具体涉及一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法。

背景技术

太阳能等可再生能源作为首选的清洁能源，可有效解决当今世界面临的能源及环境问题，但光伏发电系统输出功率具有波动大、受天气等外界因素影响大等缺点，会造成直流母线电压波动，因此需要储能装置配合工作。双向DC-DC变换器是连接直流母线和储能介质的重要桥梁，可以通过控制双向DC-DC变换器的工作模式来调节储能介质的充放电状态，从而达到稳定直流母线电压的目的。

在双向DC-DC变换器的各类控制方法中，传统双闭环PI控制方法最为成熟。但传统的基于PI控制器的双环控制策略无法在提高系统动态响应的同时有效抑制直流母线电压较大的波动和冲击，使得系统的输出性能不佳，鲁棒性差。因此，一些诸如预测控制、滑模控制，自抗扰控制等非线性控制方法被广泛研究。

其中，预测电流控制方法动态响应快，控制目标灵活，可对被控对象进行主动控制而非被动调节，已被广泛应用于电机驱动和电力系统等相关领域。但是，传统的预测电流控制方法存在系统开关频率不固定的本质问题，会造成输出电流纹波明显，使得系统开关损耗和系统噪声加剧。

发明内容

本发明的目的是提供一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，能够解决传统预测电流控制方法中因开关频率不固定而造成的输出电流纹波明显问题。

本发明所采用的技术方案是，一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，具体按照如下步骤实施：

步骤1、由双向DC-DC变换器数学模型得出离散状态下蓄电池电流预测模型，所述蓄电池电流预测模型为Boost模式下的蓄电池电流预测值i_L(k+1)或Buck模式下蓄电池电流预测值i’_L(k+1)；

步骤2、根据无差拍预测电流控制原理，得出在k+1时刻，双向DC-DC变换器工作在Boost模式下的导通矢量a作用时间t₁、关断矢量b作用时间t₂或在Buck模式下的导通矢量c作用时间t₃、关断矢量d作用时间t₄；

步骤3、根据各个矢量作用时间设计出Boost预测电流控制器的目标函数g_Boost和Buck预测电流控制器的目标函数g_Buck，再根据目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别得出Boost模式下开关管S₂工作信号和Buck模式下开关管S₁工作信号；

步骤4、将步骤3得到的开关管S₂工作信号作用于开关管S₂，开关管S₁工作信号作用于开关管S₁。

本发明的特点还在于，

步骤1中，所述双向DC-DC变换器数学模型分别为：

Boost模式下，开关管S₂导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Boost模式下，开关管S₂关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

式(1)～式(4)中，U_dc和U_b分别代表直流母线电压和蓄电池端电压，i_L和i’_L分别为Boost模式下和Buck模式下流过电感的电流，L为双向DC-DC变换器的电感。

步骤1中，所述i_L(k+1)和i’_L(k+1)的计算过程如下：

式(5)～式(8)中，t₁和t₂分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，且t₁+t₂＝T_s，T_s为一个控制周期，f_S2＝1、f_S2＝0分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i_L(k)为双向DC-DC变换器在Boost模式下k时刻蓄电池电流采样值；t₃和t₄分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，t₃+t₄＝T_s，f_S1＝1、f_S1＝0分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i’_L(k)为双向DC-DC变换器在Buck模式下k时刻下蓄电池电流采样值。

步骤2中，所述导通矢量a作用时间t₁和关断矢量b作用时间t₂具体如下：

式(9)中，i_L ^*为蓄电池电流参考信号，L为双向DC-DC变换器的电感，i_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

步骤2中，所述导通矢量c作用时间t₃和关断矢量d作用时间t₄具体如下：

式(10)中，i_L ^*为蓄电池电流参考信号，L为双向DC-DC变换器的电感，i’_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

步骤3中，所述目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别如下：

式(11)和式(12)中，T_s为一个控制周期，且t₁+t₂＝T_s。

步骤3中，Boost模式下开关管S₂工作信号如下：

若0≤t₁≤T_s，令开关管S₂导通矢量a作用t₁、关断矢量b作用t₂；

若t₁≥T_s，令开关管S₂导通矢量a作用T_s、关断矢量b作用0；

若t₁<0，令开关管S₂导通矢量a作用0、关断矢量b作用T_s；

Buck模式下开关管S₁工作信号如下：

若0≤t₃≤T_s，令开关管S₁导通矢量c作用t₃、关断矢量d作用t₄；

若t₃≥T_s，令开关管S₁导通矢量c作用T_s、关断矢量d作用0；

若t₃<0，令开关管S₁导通矢量c作用0、关断矢量d作用T_s。

本发明的有益效果是，

本发明一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，有效抑制了直流母线电压波动，提高了系统的稳定性和抗干扰能力，本发明的控制方法属于非线性控制方法，除了具备传统预测电流控制方法的优势外，还对传统预测电流控制方法进行改进，依据矢量作用时间固定开关管频率，在保证系统稳定性的同时，有效抑制电流纹波，进一步提升系统的稳定性和快速性。

附图说明

图1是本发明所采用的非隔离型双向DC-DC变换器拓扑图；

图2是本发明的双向DC-DC变换器系统的双闭环整体控制框图；

图3是本发明中一种双向DC-DC变换器预测电流方法的流程图；

图4是本发明中评价函数寻优过程的流程图；

图5(a)～图5(c)分别是本发明在Boost模式下对系统的直流母线电压波形、蓄电池电压电流波形、负载电流波形进行控制的仿真波形；

图6(a)～图6(c)分别是本发明在Buck模式下对系统的直流母线电压波形、蓄电池电压电流波形、负载电流波形进行控制的仿真波形；

图7(a)～图7(d)分别是在负载突变工况下，针对系统的扰动直流母线电压波形、控制后直流母线电压波形、蓄电池电流波形和负载电流波形，本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法与传统预测电流控制方法进行对比的仿真波形；

图8(a)～图8(d)分别是在模拟光伏波动下，针对系统的扰动直流母线电压波形、控制后直流母线电压波形、蓄电池电流波形和负载电流波形，本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法与传统预测电流控制方法进行对比的仿真波形。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明所采用的非隔离型双向DC-DC变换器拓扑图为双向半桥型拓扑结构，如图1所示，其中，U_dc和U_b分别代表直流母线电压和蓄电池端电压；C为直流母线支撑电容，L为变换器电感；S₁，S₂表示开关管IGBT。此双向DC-DC变换器主要有两种工作模式，分别为Boost模式和Buck模式。当双向DC-DC变换器工作在Boost模式时，开关管S₁始终关断，开关管S₂工作；当双向DC-DC变换器工作在Buck模式时，开关管S₁工作，开关管S₂始终关断。

本发明的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，采用电压电流双闭环控制结构，针对双向DC-DC变换器的工作特点，分别设计了Boost模式和Buck模式对应的电流控制器，图2是本发明的双向DC-DC变换器系统的双闭环整体控制框图，其具体过程为：

1.将期望直流母线电压和系统当前反馈直流母线电压作差，得到电压误差信号e，经过电压外环PI控制器调节，得到蓄电池电流参考信号i_L ^*；

2.对i_L ^*进行判断，若i_L ^*>0，双向DC-DC变换器工作在Boost模式，通过Boost预测电流控制器得到开关管S₂工作信号；若i_L ^*<0，双向DC-DC变换器工作在Buck模式，通过Buck预测电流控制器得到开关管S₁工作信号。

3.将得到的开关管工作信号直接作用于各开关管。

本发明的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，对传统预测电流器的预测电流的控制方法进行改进，如图3所示，具体按照如下步骤实施：

步骤1、由双向DC-DC变换器数学模型得出离散状态下蓄电池电流预测模型，所述蓄电池电流预测模型为Boost模式下的蓄电池电流预测值i_L(k+1)或Buck模式下蓄电池电流预测值i’_L(k+1)；

其中，由双向DC-DC变换器工作原理和拓扑结构，分别得到其在Boost模式和Buck模式下的数学模型：

Boost模式下，开关管S₂导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Boost模式下，开关管S₂关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

式(1)～式(4)中，U_dc和U_b分别代表直流母线电压和蓄电池端电压，i_L和i'_L分别为Boost模式下和Buck模式下流过电感的电流，L为双向DC-DC变换器的电感。

假设，Boost模式下，在一个控制周期T_s中，蓄电池电流上升t₁时间，下降t₂时间，即开关管S₂导通t₁时间，关断t₂时间，且有t₁+t₂＝T_s。

同理，在Buck模式下，在一个控制周期T_s中，蓄电池电流上升t₃时间，下降t₄时间，即开关管S₁导通t₃时间，关断t₄时间，且有t₃+t₄＝T_s。

则i_L(k+1)和i’_L(k+1)的计算过程如下：

式(5)～式(8)中，t₁和t₂分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，且t₁+t₂＝T_s，T_s为一个控制周期，f_S2＝1、f_S2＝0分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i_L(k)为双向DC-DC变换器在Boost模式下k时刻蓄电池电流采样值；t₃和t₄分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，t₃+t₄＝T_s，f_S2＝1、f_S2＝0分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i’_L(k)为双向DC-DC变换器在Buck模式下k时刻下蓄电池电流采样值。

步骤2、根据无差拍预测电流控制原理，希望下一时刻蓄电池电流能追踪上蓄电池电流给定值，即令i_L ^*＝i_L(k+1)或i_L ^*＝i’_L(k+1)，i_L ^*为蓄电池电流参考信号，经计算得出在k+1时刻，双向DC-DC变换器工作在Boost模式下的导通矢量a作用时间t₁、关断矢量b作用时间t₂或在Buck模式下的导通矢量c作用时间t₃、关断矢量d作用时间t₄；

根据得出，导通矢量a作用时间t₁和关断矢量b作用时间t₂具体如下：

式(9)中，L为双向DC-DC变换器的电感，i_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

同理，导通矢量c作用时间t₃和关断矢量d作用时间t₄具体如下：

式(10)中，L为双向DC-DC变换器的电感，i’_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

步骤3、根据各个矢量作用时间设计出Boost预测电流控制器的目标函数g_Boost和Buck预测电流控制器的目标函数g_Buck，再根据目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别得出Boost模式下开关管S₂工作信号和Buck模式下开关管S₁工作信号；

目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别如下：

式(11)和式(12)中，T_s为一个控制周期，且t₁+t₂＝T_s。

图4为评价函数寻优过程的流程图，根据两个目标函数得出开关管S₂工作信号和开关管S₁工作信号，当i_L ^*>0，即当U_dc(k)≤U_ref时，U_ref为参考电压，即期望得到的直流母线电压，双向DC-DC变换器工作在Boost模式下，由预测模型计算出矢量作用时间t₁、t₂后，判断t₁：

若0≤t₁≤T_s，说明在下一时刻开关管S₂导通t₁时间且关断t₂时间，即可使蓄电池电流跟踪上给定电流，故令开关管S₂导通矢量a作用t₁、关断矢量b作用t₂；

若t₁≥T_s，说明在下一时刻开关管S₂完全导通t₁时间可使蓄电池电流跟踪上给定电流，但t₁超出采样周期，为固定开关频率且达到满意的控制效果，故令开关管S₂导通矢量a作用T_s、关断矢量b作用0；

若t₁<0，因t₁+t₂＝T_s，则有t₂>T_s，说明在下一时刻开关管S₂完全关断t₂时间可使蓄电池电流跟踪上给定电流，但t₂超出采样周期，为固定开关频率且达到满意的控制效果，故令开关管S₂导通矢量a作用0、关断矢量b作用T_s。

当i_L ^*<0，即当U_dc(k)≥U_ref时，双向DC-DC变换器工作在Buck模式下，由预测模型计算出矢量作用时间t₃、t₄后，判断t₃：

若0≤t₃≤T_s，说明在下一时刻开关管S₁导通t₃时间且关断t₄时间，即可使蓄电池电流跟踪上给定电流，故令开关管S₁导通矢量c作用t₃、关断矢量d作用t₄；

若t₃≥T_s，说明在下一时刻开关管S₁完全导通t₃时间可使蓄电池电流跟踪上给定电流，但t₃超出采样周期，为固定开关频率且达到满意的控制效果，故令开关管S₁导通矢量c作用T_s、关断矢量d作用0；

若t₃<0，因t₃+t₄＝T_s，则有t₄>T_s，说明在下一时刻开关管S₁完全关断t₄时间可使蓄电池电流跟踪上给定电流，但t₄超出采样周期，为固定开关频率且达到满意的控制效果，故令开关管S₁导通矢量c作用0、关断矢量d作用T_s。

步骤4、将步骤3得到的开关管S₂工作信号作用于开关管S₂，开关管S₁工作信号作用于开关管S₁。

在MATLAB\simulink环境下搭建以蓄电池为储能介质的独立运行光伏储能系统仿真模型，调整仿真参数，达到满意的控制效果。为说明本发明的可行性，分别在Boost模式和Buck模式下对本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法进行仿真验证，为说明本发明的有效性，分别在负载突变工况下和电源扰动工况下，对基于矢量作用时间的双DC-DC变换器预测电流控制方法与传统预测电流控制方法进行对比验证。

图5(a)～图5(c)分别是本发明在Boost模式下对系统的直流母线电压波形、蓄电池电压电流波形、负载电流波形进行控制的仿真波形，图6(a)～图6(c)分别是本发明在Buck模式下对系统的直流母线电压波形、蓄电池电压电流波形、负载电流波形进行控制的仿真波形，由图5(a)～图5(c)和图6(a)～图6(c)可以看出，当直流母线电压低于或高于期望电压300V时，通过本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法可控制双向DC-DC变换器工作在对应的Boost模式和Buck模式，使直流母线电压稳定到期望值。

图7(a)～图7(d)分别是在负载突变工况下，针对系统的扰动直流母线电压波形、控制后直流母线电压波形、蓄电池电流波形和负载电流波形本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法与传统预测电流控制方法进行对比的仿真波形。图8(a)～图8(d)分别是在模拟光伏波动下，针对系统的扰动直流母线电压波形、控制后直流母线电压波形、蓄电池电流波形和负载电流波形本发明的双向DC-DC变换器预测电流控制方法与传统预测电流控制方法进行对比的仿真波形。由图7(a)～图7(d)和图8(a)～图8(d)可以看出，在负载突变和模拟光伏电源波动时，两种控制策略下储能介质均可根据直流母线电压的大小工作在对应的充放电状态，并保持直流母线电压基本恒定。但对比可知，两种工况下基于矢量作用时间的预测电流控制系统具有更小的蓄电池电流脉动。当直流母线电压产生较大波动时，改进后的预测电流控制方法比传统的预测电流控制方法更能保证直流母线电压的稳定，且动态调节过程更快。其结果充分证明了本发明的基于矢量作用时间的预测电流控制方法可以应用于含有非隔离型双向DC-DC变换器的系统，同时也验证了该方法可解决传统预测电流控制方法下蓄电池电流纹波较大问题，并且进一步提升了系统的动态性能，增强系统抗干扰能力。

Claims (7)

1.一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：

步骤1、由双向DC-DC变换器数学模型得出离散状态下蓄电池电流预测模型，所述蓄电池电流预测模型为Boost模式下的蓄电池电流预测值i_L(k+1)或Buck模式下蓄电池电流预测值i’_L(k+1)；

步骤2、根据无差拍预测电流控制原理，得出在k+1时刻，双向DC-DC变换器工作在Boost模式下的导通矢量a作用时间t₁、关断矢量b作用时间t₂或在Buck模式下的导通矢量c作用时间t₃、关断矢量d作用时间t₄；

步骤3、根据各个矢量作用时间设计出Boost预测电流控制器的目标函数g_Boost和Buck预测电流控制器的目标函数g_Buck，通过目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别得出Boost模式下开关管S₂工作信号和Buck模式下开关管S₁工作信号；

步骤4、将步骤3得到的开关管S₂工作信号作用于开关管S₂，开关管S₁工作信号作用于开关管S₁。

2.如权利要求1所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤1中，所述双向DC-DC变换器数学模型分别为：

Boost模式下，开关管S₂导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Boost模式下，开关管S₂关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁导通，蓄电池电流上升，数学模型为：

Buck模式下，开关管S₁关断，蓄电池电流下降，数学模型为：

式(1)～式(4)中，U_dc和U_b分别代表直流母线电压和蓄电池端电压，i_L和i’_L分别为Boost模式下和Buck模式下流过电感的电流，L为双向DC-DC变换器的电感。

3.如权利要求2所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤1中，所述i_L(k+1)和i’_L(k+1)的计算过程如下：

式(5)～式(8)中，t₁和t₂分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，且t₁+t₂＝T_s，T_s为一个控制周期，f_S2＝1、f_S2＝0分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i_L(k)为双向DC-DC变换器在Boost模式下k时刻蓄电池电流采样值；t₃和t₄分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升时间和下降时间，t₃+t₄＝T_s，f_S1＝1、f_S1＝0分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，蓄电池电流上升斜率和下降斜率，i’_L(k)为双向DC-DC变换器在Buck模式下k时刻下蓄电池电流采样值。

4.如权利要求1所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤2中，所述导通矢量a作用时间t₁和关断矢量b作用时间t₂具体如下：

式(9)中，i_L ^*为蓄电池电流参考信号，L为双向DC-DC变换器的电感，i_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Boost模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

5.如权利要求1所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤2中，所述导通矢量c作用时间t₃和关断矢量d作用时间t₄具体如下：

式(10)中，i_L ^*为蓄电池电流参考信号，L为双向DC-DC变换器的电感，i’_L(k)、U_dc(k)和U_b(k)分别为双向DC-DC变换器在Buck模式下，k时刻时，流经蓄电池的电流、直流母线电压和蓄电池端电压，T_s为一个控制周期。

6.如权利要求1所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤3中，所述目标函数g_Boost和目标函数g_Buck分别如下：

式(11)和式(12)中，T_s为一个控制周期，且t₁+t₂＝T_s。

7.如权利要求6所述的一种双向DC-DC变换器预测电流的控制方法，其特征在于，步骤3中，所述Boost模式下开关管S₂工作信号如下：

若0≤t₁≤T_s，令开关管S₂导通矢量a作用t₁、关断矢量b作用t₂；

若t₁≥T_s，令开关管S₂导通矢量a作用T_s、关断矢量b作用0；

若t₁<0，令开关管S₂导通矢量a作用0、关断矢量b作用T_s；

所述Buck模式下开关管S₁工作信号如下：

若0≤t₃≤T_s，令开关管S₁导通矢量c作用t₃、关断矢量d作用t₄；

若t₃≥T_s，令开关管S₁导通矢量c作用T_s、关断矢量d作用0；

若t₃<0，令开关管S₁导通矢量c作用0、关断矢量d作用T_s。