CN109739107B - 一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，利用模型预测控制的多目标优化的特点，同时对三相整流桥和DC/DC变换器进行控制。采用有限集方法设计目标优化函数，结合不同能流耦合的约束条件，建立整体的控制模型，采用模型预测控制方法可实现多目标优化控制，对于含有储能装置的供电系统，采用主动的能量管理方式，可实现多电飞机的能量优化分配。从而实现直流母线电压稳定。模型根据电机能量回馈情况，对双向DC‑DC变换器进行升降压控制，通过电池组充放电，实现直流母线功率的稳定。采用功率缓冲变换器的功率拓扑；通过蓄电池对于直流母线功率的补偿和吸收，可有效地减少飞机的重量。

Description

一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法

技术领域

本发明涉及多电飞机电气系统中带能量回馈电机和恒功率负载的功率缓冲变换器稳压及能量存储控制方法。

背景技术

近些年来，随着多电、全电飞机的提出，分布式配电技术在未来多电、全电飞机等独立电源系统中有着广泛的应用。而有资料显示，在未来多电、全电飞机的高压直流配电系统中恒功率负载可占总负载的80％。恒功率负载在系统中所占的比例越来越大，其带来的问题也就日益突出。

对于恒功率负载，尽管它的瞬时阻抗是正的

但是其相应的阻抗增量却是负的

恒功率负载的这种特性被称为负阻抗特性。这种特性的特点表现在，当电压v上升的时候，会导致电流i的下降，但电流i下降又会进一步导致电压v的上升；同理，当电压下降的时候，也会导致电流的不断上升。由于恒功率负载的负阻抗特性对独立电力系统的直流母线电压稳定性存在潜在威胁，所以独立电力系统的直流母线电压稳定控制方法的分析是非常重要的。

电推进飞机作为未来飞机重要的发展，其电力系统中采用了多涵道风扇电机作为驱动能量来源，在飞行过程中产生的能量回馈对电网冲击很大。如果没有及时对能量进行处理，就会导致母线电压的抬升，而且随着母线电压的抬升会触发恒功率负载的负阻抗特性，从而进一步威胁了直流母线电压的稳定。在应对能量回馈问题上，目前为止在飞机电气系统规范中，并不允许能量回馈到母线上，所有具有能量再生的电机驱动都采用大电阻器来耗散掉。而这种耗散的方法除了增加了大电阻器之外，还需要外加相应的冷却设备来进行降温。在电推进飞机上，由于涵道风扇的数量需求较多，这种耗散方式所带来的飞机重量上的增加以及效率上的降低是不可接受的。美国机动车工程师学会在2014年的“AerospaceInformation Report”上汇报了飞机的能量回馈问题，并呼吁广大的科研工作者们探索该问题。在文献“Power Buffer with model predictive control for stability ofvehicular power system with constant power loads”(IEEE Transactions on PowerElectronics,2013，12,5804)提出了一种应用于汽车电力系统的带电池的功率缓冲器的拓扑，能通过模型预测控制的二次规划求解，同时对三相整流器和双向DC/DC变换器进行控制，实现对直流母线功率的补偿或吸收，从而保证直流母线电压的稳定和减少能量的损耗。但是该算法对于模型的精确度要求较高，尤其是对负载的需求需要精确观测。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法。

本发明的思路是:充分利用模型预测控制的多目标优化的特点，同时对三相整流桥和DC/DC变换器进行控制，采用有限集方法设计目标优化函数，结合不同能流耦合的约束条件，建立整体的控制模型，从而实现直流母线电压稳定。模型根据电机能量回馈情况，对双向DC-DC变换器进行升降压控制，通过电池组充放电，实现直流母线功率的稳定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，其特征在于功率缓冲变换器包括三相电源v_s、交流侧等效线路电阻R_s、交流侧电感L_s、三相整流桥、直流侧电容C_dc、DC/DC变换器、储能元件、恒功率负载和电机类负载；三相整流桥中包括6个IGBT管Q₁～Q₆，其中Q₁和Q₄存在着互补关系、Q₂和Q₅存在着互补关系、Q₃和Q₆存在着互补关系；DC/DC变换器中包括功率管T₁、T₂和电感L₁，当处于BOOST模式时，功率管T₁常闭，功率管T₂处于被控状态；当处于BUCK模式时功率管T₂常闭，功率管T₁处于被控状态；

功率缓冲变换器的控制方法采用有限集的模型预测控制，由于DC/DC变换器工作在不同状态下，系统的模型不同，将模型预测控制算法分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式三种模式:

稳态模式:维持正常电路工作时的模型预测控制模式，即交流侧电压为额定值，电机不处于电流回馈状态时，直流母线电压只需要通过对三相整流桥的控制就能够实现稳压；由于不需要DC/DC变换器进行工作，所以DC/DC变换器的功率管T₁和T₂的控制信号d₁和d₂均为0；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为8种；

BUCK模式:当母线上的功率超出直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，即交流侧电压发生暂升或者电机发生电流回馈；此时需要储能模块对直流母线的功率进行吸收，该模式下的功率管T₂的控制信号d₂为恒定值0，而功率管T₁处于控制状态，在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

BOOST模式:当母线上的功率低于直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，交流侧电压发生骤降时，此时需要储能模块补偿直流母线上的功率缺失，该模式下功率管T₁的控制信号d₁为恒定值0，而功率管T₂处于可控状态；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

功率缓冲变换器的控制步骤如下:

步骤1.将测量得到的直流母线电压V_dc与额定参考电压V_{dc_ref}做差值；

步骤2.将步骤1得到的差值经过PI环节后，与参考电压V_{dc_ref}做乘积得到参考有功功率P_{in_ref}；

步骤3.将测量的到的交流侧电压电流、直流母线电压V_dc、电池电压V_bat、电池电流i_bat、电机电流i_motor，交流侧直轴电压V_d信号接入到模型预测控制模块；

步骤4.将步骤3所得的V_d和i_motor信号经过分析后，判断是否交流侧电压发生扰动或者电机发生能量回馈，而后选择合适的模型预测控制的模式，模式分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式；

步骤5.将步骤3中的信号经过模型的一次预测得到k+1次交流侧电流矢量I_k1、直流母线电压V_dc1和电池电流i_bat1；

步骤6.将该模式下的开关组合依次带入模型，得到二次预测得到k+2次流侧电流矢量I_k2、直流母线电压V_dc2和电池电流i_bat2，并预测k+2次有功功率P_in；

步骤7.将步骤6所得的结果依次带入代价函数；

步骤8.将步骤7各个开关组合所得的代价函数进行对比，将代价函数值最小的开关组合输出；

步骤9.将步骤8所求的开关组合传输给三相整流器和DC/DC变换器。

有益效果

本发明提出的一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，采用模型预测控制方法可实现多目标优化控制，对于含有储能装置的供电系统，采用主动的能量管理方式，可实现多电飞机的能量优化分配，满足高压直流母线的电能质量要求。

本发明采用功率缓冲变换器的功率拓扑。通过蓄电池对于直流母线功率的补偿和吸收，解决交流侧电压扰动和电推进飞机的能量回馈导致直流母线电压不稳定问题，并且由于不需要外加的耗散电阻，可有效的减少飞机的重量。在控制算法上，本发明采用了传统的PI控制加有限集模型预测控制相结合的控制算法，其特点在于将传统PI控制的灵活性高和鲁棒性强的优点和模型预测控制多目标优化、响应快和带约束的优点结合起来，运算量相较于模型预测控制的二次规划算法小，可在实际生产应用。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法作进一步详细说明。

图1为功率缓冲变换器的拓扑结构。

图2为DC/DC变换器的拓扑结构。

图3为功率缓冲变换器控制的逻辑结构。

图4为模型预测控制的逻辑结构。

图5为电机发生能量回馈时直流母线电压的波形。

具体实施方式

本实施例是一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法。

下面所描述的本实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参阅附图1，功率缓冲变换器的拓扑结构参照附图1。其中v_sa、v_sb、v_sc代表着三相电源；R_s是交流侧等效线路电阻；L_s是交流侧电感；开关管Q₁～Q₆组成了三相整流桥；C_dc是直流侧电容；开关管T₁、T₂和电感L_b组成了DC/DC变换器；、储能元件为电池或者超级电容；后级是恒功率负载和电机类负载。

本实施例是通过MATLAB/Simulink仿真验证的。具体的实施步骤如下：

步骤1.在Simulink中搭建仿真模型，其中电感电容等参数根据实际需要进行计算求得；

步骤2.进行数据的预处理，将交流侧的电压电流转换通过Clark变换后得到v_sα、v_sβ、i_sα、i_sβ。将其进行公式(1)的计算可以得到交流侧电压矢量V和交流侧电流矢量I。

将v_sα、v_sβ再经过Park变换后得到交流电压直轴分量V_d，作为交流侧扰动判据；将测量的直流母线电压V_de与额定参考电压V_{dc_ref}做差值，经过PI控制后与参考电压V_{dc_ref}做乘积，得到参考有功功率P_{in_ref}，作为代价函数的参考有功功率。

步骤3.引入S函数模块来实现模型预测控制，将步骤2得到的v_sα、v_sβ、i_sα、i_sβ、V_d、P_{in_ref}和测量得到的直流母线电压V_dc、电池电流i_bat、电池电压V_bat、电机电流i_motor作为该S函数模块的输入信号；

步骤4.模型预测控制的程序，其中I_k1和I_k2为第一次预测和第二次预测的交流侧电流矢量，其预测公式如公式(2)所示

其中I(k+1)与I_k1等同，I_k2可以通过将I(k+1)带入公式(2)中的I(k)得到，R_s为交流侧线路电阻阻值，T_s为采样周期，L_s为交流侧电感值，Vs(k)为第k次交流侧电压矢量，V(i)为第i个开关对应的电压矢量，具体的表格如表1所示。其中V(i)与V_i等同。如附图4所示。

表格1

i_bat1和i_bat2是(k+1)次和(k+2)次的电池电流，其计算方式根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式(3)。(k+2)次的电池电流值带入方式与步骤4所提到的电流矢量计算方式一致。

其中L₁为DC/DC变换器的电感，D为相应开关管的开关函数，其值为0或1。V_dc1和V_dc2根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式

C_dc为直流侧电容，P_load为恒功率负载值，i_dc为三相整流器的输出电流，计算公式如公式(5)

i_dc＝i_aS_a+i_bS_b+i_cS_c (5)

输入有功功率P_in和输入无功功率Q_in求取如公式(6)所示

代价函数J_s获取如公式(7)所示

其中无功功率参考值Q_{in_ref}为0，电池电流参考值i_{bat_ref}可以通过公式(8)得到。其中V_gd0为额定状态下交流侧电压的直轴分量，V_bat0为额定状态下的电池电压。

步骤5.通过步骤4的求取，可以的到最优的开关组合S_a、S_b、S_c、d₁、d₂，而后将S_a、S_b、S_c分别求反，组成6个开关信号赋给三相整流器，d₁、d₂直接赋给DC/DC变换器；

步骤6.通过设置交流侧扰动和电机的工作性质，可以稳定电机回馈能量导致的直流母线电压的波动。

如图5所示，当电机发生能量回馈的时候，通过仿真可得到其直流母线电压的波形。电机在1s的时候启动并进入空载运行状态，在2s的时候进入发电机状态，产生的电流回馈入直流母线。图中的上下两条包络线为GJB181B中对于270V直流电压的标准曲线。可以看出在电机发生电流回馈的时候，通过模型预测控制的功率缓冲变换器，其直流母线电压能够满足GJB181B的要求。

Claims (1)

1.一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，其特征在于:功率缓冲变换器包括三相电源v_s、交流侧等效线路电阻R_s、交流侧电感L_s、三相整流桥、直流侧电容C_dc、DC/DC变换器、储能元件、恒功率负载和电机类负载；三相整流桥中包括6个IGBT管Q₁～Q₆，其中Q₁和Q₄存在着互补关系、Q₂和Q₅存在着互补关系、Q₃和Q₆存在着互补关系；DC/DC变换器中包括功率管T₁、T₂和电感L₁，当处于BOOST模式时，功率管T₁常闭，功率管T₂处于被控状态；当处于BUCK模式时功率管T₂常闭，功率管T₁处于被控状态；

功率缓冲变换器的控制方法采用有限集的模型预测控制，由于DC/DC变换器工作在不同状态下，系统的模型不同，将模型预测控制算法分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式三种模式:

稳态模式:维持正常电路工作时的模型预测控制模式，即交流侧电压为额定值，电机不处于电流回馈状态时，直流母线电压只需要通过对三相整流桥的控制就能够实现稳压；由于不需要DC/DC变换器进行工作，所以DC/DC变换器的功率管T₁和T₂的控制信号d₁和d₂均为0；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为8种；

BUCK模式:当母线上的功率超出直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，即交流侧电压发生暂升或者电机发生电流回馈；此时需要储能模块对直流母线的功率进行吸收，该模式下的功率管T₂的控制信号d₂为恒定值0，而功率管T₁处于控制状态，在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

BOOST模式:当母线上的功率低于直流母线上负载的需求功率时的模型预测控制模式，交流侧电压发生骤降时，此时需要储能模块补偿直流母线上的功率缺失，该模式下功率管T₁的控制信号d₁为恒定值0，而功率管T₂处于可控状态；在该模式下，模型预测控制有限集的控制开关组合为16种；

功率缓冲变换器的控制步骤如下:

步骤1.将测量得到的直流母线电压V_dc与额定参考电压V_{dc_ref}做差值；

步骤2.将步骤1得到的差值经过PI环节后，与参考电压V_{dc_ref}做乘积得到参考有功功率P_{in_ref}；

步骤3.将测量的到的交流侧电压电流、直流母线电压V_dc、电池电压V_bat、电池电流i_bat、电机电流i_motor，交流侧直轴电压V_d信号接入到模型预测控制模块；

步骤4.将步骤3所得的V_d和i_motor信号经过分析后，判断是否交流侧电压发生扰动或者电机发生能量回馈，而后选择合适的模型预测控制的模式，模式分为稳态模式、BUCK模式和BOOST模式；

模型预测控制的程序，其中I_k1和I_k2为第一次预测和第二次预测的交流侧电流矢量，其预测公式如公式(2)所示

其中I(k+1)与I_k1等同，I_k2可以通过将I(k+1)带入公式(2)中的I(k)得到，R_s为交流侧线路电阻阻值，T_s为采样周期，L_s为交流侧电感值，Vs(k)为第k次交流侧电压矢量，V(i)为第i个开关对应的电压矢量；其中V(i)与V_i等同；

i_bat1和i_bat2是(k+1)次和(k+2)次的电池电流，其计算方式根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式(3)；(k+2)次的电池电流值带入方式与步骤4所提到的电流矢量计算方式一致；

其中L₁为DC/DC变换器的电感，D为相应开关管的开关函数，其值为0或1；

V_dc1和V_dc2根据BUCK模式和BOOST模式的不同而不同，具体如公式

C_dc为直流侧电容，P_load为恒功率负载值，i_dc为三相整流器的输出电流，计算公式如公式(5)

i_dc＝i_aS_a+i_bS_b+i_cS_c (5)

输入有功功率P_in和输入无功功率Q_in求取如公式(6)所示

代价函数J_s获取如公式(7)所示

；

步骤5.将步骤3中的信号经过模型的一次预测得到k+1次交流侧电流矢量I_k1、直流母线电压V_dc1和电池电流i_bat1；

步骤6.将该模式下的开关组合依次带入模型，得到二次预测k+2次流侧电流矢量I_k2、直流母线电压V_dc2和电池电流i_bat2，并预测k+2次有功功率P_in；

步骤7.将步骤6所得的结果依次带入代价函数；

步骤8.将步骤7各个开关组合所得的代价函数进行对比，将代价函数值最小的开关组合输出；

步骤9.将步骤8所求的开关组合传输给三相整流器和DC/DC变换器。

Images