CN112600286A - 一种基于ladrc的充放电控制方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于LADRC的充放电控制方法，属于直流微电网运行控制技术领域，该方法包括以下步骤：采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，其中
得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
双向DC/DC逆变器的电感的电流值
通过LADRC电流内环经PWM控制双向逆变器的开启和关闭，进而调节双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL，并将双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL反馈到LADRC电流内环，提出的基于LADRC的直流微电网储能单元自适应充放电控制策略能使直流母线电压保持在稳定范围内，有效抑制了充放电切换过程中母线电压的波动；实现了实现方法简易的恒压充电与恒流充电的自适应切换，延长了蓄电池使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及直流微电网运行控制技术领域，尤其涉及一种基于LADRC的充放电控制方法及装置。
背景技术
随着分布式发电技术和储能电池技术的不断发展，微电网概念已成为一种可再生能源与负载集成的有效解决方案。相比于交流微电网，直流微电网不存在无功、谐波、同步等问题，运行方式更为灵活，供电可靠性更高，因此其在国内外的推广已呈潮涌之势。
由于可再生能源发电具有波动性和间歇性，因此直流微电网运行工况多变，能量流动频繁，存在直流母线电压波动问题，波动严重时甚至导致整个微电网系统崩溃，造成不可估计的损失。为保证直流微电网的安全性与可靠性，需要引入储能单元作为能量(功率)缓冲装置，因此研究出一种针对储能单元充放电的先进控制策略以更有效地抑制直流母线电压的波动，是一个亟待解决的问题。
近年来，微电网储能单元双向DC/DC变换器的充放电控制策略已成为热点研究课题之一，国内外许多学者对其展开了深入研究。文献《直流微电网储能系统自动充放电改进控制策略》将储能双向DC/DC变换器分为充电、放电和空闲3种工作模式，通过母线电压作为切换判据进行模式切换，避免储能单元频繁的充放电，但该文缺少对工作模式切换过程的暂态分析。文献Control Scheme for Autonomous and Smooth Mode Switching ofBidrectional DC-DC Converters in a DC Microgrid提出了一种用于储能双向DC/DC变换器充放电控制的开关式PI控制策略，并设计了恒流、恒压充电的自适应切换以延长储能单元使用寿命，但充放电切换的动态性能较差。文献《基于ESO与终端滑模控制的直流配电网母线电压控制》、《级联式双向DC-DC变换器的优化控制方法》等指出了双向DC/DC变换器因二极管、开关管等器件而具有耦合、时变和非线性的特征，且直流微电网存在电压等级多变、负载非线性波动以及外部不确定扰动等问题。因此，基于线性化的PI控制因其内在局限性，难以在改善储能单元动态性能的同时有效地抑制母线电压波动。
针对传统PI控制器的缺陷，部分学者引入了自抗扰控制(auto disturbancerejection control，ADRC)技术，ADRC是一种针对耦合、时变和非线性控制对象的有效解决方案，已逐步应用于工业控制领域中。而线性自抗扰控制(liner auto disturbancerejection control，LADRC)是ADRC的泛用化推广，降低了ADRC的使用难度以拓宽其工业应用推广的前景。文献《锂电池储能系统充放电的双闭环自抗扰控制器设计》将双闭环ADRC应用到锂电池储能系统中，提高了锂电池的动态性能和抗扰动能力。文献《光伏储能双向DC-DC变换器的自抗扰控制方法研究》将ADRC应用到光伏直流微电网储能单元充放电控制中，有效地抑制了母线电压的波动。文献《大型风电机组自抗扰转速控制》提出了风电机组的转速ADRC控制策略，实现了风机随风速变化的最大功率点跟踪，改善了风电的捕获效率。文献《基于线性自抗扰的微电网平滑切换控制策略》针对储能双向DC/DC变换器构建了LADRC控制器，验证了LADRC可有效抑制微电网离、并网切换时的暂态母线电压波动。
发明内容
根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于LADRC的充放电控制方法，包括以下步骤：
S1:采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，其中
得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
S2:双向DC/DC逆变器的电感的电流值
通过LADRC电流内环经PWM控制双向逆变器的开启和关闭，进而调节双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL，并将双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL反馈到LADRC电流内环。
进一步地，所述采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
包括如下形式：
(1)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅱ的输出值，再经过限幅器S2输出双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值小于零；LADRC电流内环的指示电流值Ⅰ大于零，双向DCDC变换器为蓄电池充电；
(2)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值,再经过限幅器S1输出的限与恒流充电的电流值
叠加后的值经过限幅器S3输入给限幅器S2,得到双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值大于零；
(3)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值双向DC/DC逆变器的电感的电流值
得到PI控制器Ⅰ的值小于零。
一种基于LADRC的充放电控制装置，包括PI电压外环控制器、LADRC电流内环控制器和双向DC/DC逆变器；
所述PI电压外环控制器接收电压差值，并将电压差值转换成电流指示值；
所述LADRC电流内环控制器接收所述PI电压外环控制器传送电流指示值，通过LESO提取了电流观测值电流微分值与电流扰动值，通过非线性控制律，将电流观测值、电流微分值与电流扰动值进行PI运算与扰动补偿，得到PWM信号；
所述双向DC/DC逆变器接收所述LADRC电流内环控制器传送的PWM信号，进行开关管的开启或关闭控制。
进一步地，所述LADRC电流内环控制器包括由跟踪微分器、线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制器；
电压外环的输出量指示电流值经微分跟踪器转换为跟踪值X1；
线性扩展状态观测器将电感电流的扰动转化为状态量z3并补偿到非线性状态误差反馈控制器进而生成导通占空比u；非线性误差反馈控制器，根据误差信号经非线性PD控制得到未补偿的控制量，LESO的扰动观测值z3对u0进行补偿，进而生成占空比控制量u，实现无需“积分环节”的无静差控制。
进一步地，所述自适应PI电压外环控制器包括PI控制器Ⅰ、PI控制器Ⅱ和PI控制器Ⅲ与可变限幅器；
PI控制器Ⅱ的输出值输出到电流内环，PI控制器Ⅱ的输出上限幅值受PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制，PI控制器Ⅱ的输出下限幅值受到PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制。
由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于LADRC的充放电控制方法及装置，提出的基于LADRC的直流微电网储能单元自适应充放电控制策略能使直流母线电压保持在稳定范围内，引入了LADRC电流内环提高了双向DC/DC变换器的动态性能，有效抑制了充放电切换过程中母线电压的波动；实现了实现方法简易的恒压充电与恒流充电的自适应切换，延长了蓄电池使用寿命，且减少了因微电网正常功率波动引起的蓄电池充放电切换次数；能够根据本地母线电压进行自适应模式切换，无需添加二次集中控制的主控单元，降低了设计成本与难度，且实现的装置结构简单，经济性高，控制性能好；改善双向DC/DC变换器的动态性能与抗扰性能，使母线电压保持在稳定范围内，延长储能单元使用寿命，并保证微电网可靠稳定运行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明采用直流微电网系统结构图；
图2是本发明的基于LADRC的自适应充放电控制策略原理图；
图3是本发明的电压外环每个PI控制器的工作状态示意图；
图4是本发明的LADRC电流内环控制器结构图；
图5(a)是本发明的恒流充电模式的电压外环控制框图；
图5(b)是本发明的恒压充电模式的电压外环控制框图；
图5(c)是本发明的母线电压限低充电模式的电压外环控制框图；
图5(d)是本发明的母线电压限高放电模式的电压外环控制框图；
图6(a)是工况一的直流母线电压的电感电流仿真波形图；
图6(b)是工况一的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图；
图7(a)是工况二的直流母线电压电感电流仿真波形图；
图7(b)是工况二的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图；
图8(a)是工况三的直流母线电压电感电流仿真波形图；
图8(b)是工况三的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图。
具体实施方式
为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述：
下面结合说明书附图，详细介绍本发明的具体实施方式。
一种基于LADRC的充放电控制方法，包括以下步骤：
S1:采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，其中
得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
S2:双向DC/DC逆变器的电感的电流值
通过LADRC电流内环经PWM控制双向逆变器的开启和关闭，进而调节双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL，并将双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL反馈到LADRC电流内环。
进一步地，所述采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
包括如下形式：
(1)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅱ的输出值，再经过限幅器S2输出双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值小于零；LADRC电流内环的指示电流值Ⅰ大于零，双向DCDC变换器为蓄电池充电；
(2)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值,再经过限幅器S1输出的限与恒流充电的电流值
叠加后的值经过限幅器S3输入给限幅器S2,得到双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值大于零；
(3)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值双向DC/DC逆变器的电感的电流值
得到PI控制器Ⅰ的值小于零。
图1是本发明装置的结构图；一种基于LADRC的充放电控制装置，包括PI电压外环控制器、LADRC电流内环控制器和双向DC/DC逆变器；
所述PI电压外环控制器接收电压差值，并将电压差值转换成电流指示值；
所述LADRC电流内环控制器接收所述PI电压外环控制器传送电流指示值，通过LESO提取了电流观测值电流微分值与电流扰动值，通过非线性控制律，将电流观测值、电流微分值与电流扰动值进行PI运算与扰动补偿，得到PWM信号；
所述双向DC/DC逆变器接收所述LADRC电流内环控制器传送的PWM信号，进行开关管的开启或关闭控制。
自适应PI控制器作为电压外环，LADRC内环控制器作为电流内环，通过内外环相互配合生成占空比信号控制双向DC/DC变换器的开关管通断，进而控制储能单元的充放电状态；所述储能单元由两部分组成，分别为DC/DC变换器(储能器质)与储能介质。应该是储能器为储能单元的组成部分；此外，将储能双向DC/DC变换器的工作模式分为四种，分别为：恒流充电、恒压充电、母线电压限高充电和母线电压限低放电；分布式电源工作在最大功率跟踪模式，并且直流微电网可通过PCC开关管与外部电网进行离、并网切换，工作于孤岛或并网模式，其中箭头线为能量流动方向。
在电压电流双闭环控制器中，自适应PI控制器作为电压外环，产生电感电流参考值；线性自抗扰控制器作为电流内环，产生占空比信号控制变换器开关管通断。
图2是本发明的基于LADRC的自适应充放电控制策略原理图，下面将对工作原理图的自适应PI电压外环控制器工作原理、LADRC电流内环工作原理和双向DC/DC逆变器四种工作模式介绍三部分进行阐述。
(1)自适应PI电压外环控制器工作原理
通过该电压外环将双向DC/DC变换器分为恒流充电、恒压充电、母线电压限低充电和母线电压限高放电四种工作模式，在双向DCDC变换器运行过程中以直流母线电压、蓄电池端电压、母线电压上下限临界值等物理量作为切换判据进行自适应工作模式切换，生成LADRC电流内环所需的电感电流给定参考值，进而实现储能单元充放电控制；
图3是本发明的电压外环每个PI控制器的工作状态示意图；自适应PI电压外环控制器由PI控制器Ⅰ、PI控制器Ⅱ和PI控制器Ⅲ与可变限幅器组成，I控制器Ⅱ的输出值输出到电流内环，PI控制器Ⅱ的输出上限幅值受PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制，PI控制器Ⅱ的输出下限幅值受到PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制。
通自适应PI电压外环由过自适应的模式切换调节电感电流给定参考值实现储能单元充放电控制，并将母线电压控制在上下限范围内；其中每个PI控制器工作状态分为饱和状态与未饱和状态，其工作状态与可变限幅器有关，当在限幅器限幅范围之外时PI控制器处于饱和状态；当在限幅器限幅范围之内时PI控制器处于未饱和状态；电压外环内每个PI控制器的工作状态示意图如图3所示；
(2)LADRC电流内环控制器工作原理
本发明的电流内环基于LADRC进行设计，通过电感电流给定参考值调节储能双向DC/DC变换器的电感电流，可减小电感电流扰动、电感电流采样误差以及系统参数不准确等因素对系统控制造成的影响，有效提高了储能双向DC/DC变换器的动态性能和抗干扰能力，最终实现平滑快速的充放电切换；
图4是本发明的LADRC电流内环控制器结构图；LADRC电流内环控制器由跟踪微分器(tracking differentiator，TD)、线性扩张状态观测器(linear extended stateobserver，LESO)和非线性状态误差反馈控制器(nonlinear state error feedbackcontroller，NLSEF)组成；电压外环的输出量指示电流值经微分跟踪器转换为跟踪值x1：之后线性扩展状态观测器将电感电流的扰动转化为状态量z3并补偿到非线性状态误差反馈控制器进而生成导通占空比u：非线性误差反馈控制器，根据误差信号经非线性PD(比例微分)控制得到未补偿的控制量；在此基础上，LESO的扰动观测值z3对u0进行补偿，进而生成占空比控制量u，实现无需“积分环节”的无静差控制。
(3)双向DC/DC逆变器变换器四种工作模式介绍：
当微电网为并网状态时，PCC控制母线电压维持在额定值，双向DC/DC变换器为恒流充电模式或恒压充电模式。当微电网切换为孤岛状态时，PCC无法控制母线电压，若母线电压发生波动，则双向DC/DC变换器切换为母线电压限高放电模式或母线电压限低充电模式来控制母线电压在稳定范围内。图5为电压外环各个工作模式的控制框图，其中黑色粗线为控制信号传递方向。
图5(a)是本发明的恒流充电模式的电压外环控制框图，此时为恒流充电模式，此时微电网处于并网状态，PI1、PI2、PI3为饱和状态，y1≤0使得y1_f＝0，最终电感电流给定值
该模式控制目标：蓄电池恒流充电；
图5(b)是本发明的恒压充电模式的电压外环控制框图，此时为恒压充电模式：当微电网处于并网状态，PI1、PI2工作在饱和状态，而PI3为未饱和状态即
最终电感电流给定值
该模式控制目标：蓄电池恒压充电；
图5(c)是本发明的母线电压限低充电模式的电压外环控制框图，此时为母线电压限低模式：当微电网离网而母线电压跌落，此时PI2的输出值小于0即
使得蓄电池为放电状态。该模式控制效果：储能单元放电抑制直流母线电压低于限低值
图5(d)是本发明的母线电压限高放电模式的电压外环控制框图；此时为母线电压限高模式，当微电网离网而母线电压陡升，此时PI1控制器的输出值y1＞0。PI2工作在饱和状态下，y1与恒流充电电流值
的相互配合作用使得
最终储能单元蓄电池以较大电流值充电；该模式控制效果：储能单元较大电流充电，维持母线电压为限高值
为了验证本发明的有效性，通过MATLAB/Simulink软件进行仿真验证；
工况一：母线电压跌落工况
图6(a)是工况一的直流母线电压的电感电流仿真波形图；图6(b)是工况一的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图；在0～0.5s微电网处于并网状态，PCC控制母线电压为额定值50V，储能双向DC/DC变换器以1.5A的电流恒流充电，在第0.5s微电网切换为孤岛模式，分布式电源功率不足而母线电压跌落，储能双向DC/DC变换器切换为母线电压限低放电模式，维持母线电压为限低值48V，并以2A电流进行放电。在整个过程中，电流内环采用传统PI控制器时，切换过程的过渡时间为0.05s，电压超调量为3.6V，电流超调量为6A；而采用LADRC时切换过程的过渡时间为0.024s，电压超调量为0.8V，电流超调量为2.1A。
工况二：母线电压陡升工况
图7(a)是工况二的直流母线电压电感电流仿真波形图；图7(b)是工况二的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图；在0～0.5s微电网处于离网状态，双向DC/DC变换器处于母线电压限低放电模式，储能单元放电维持母线电压为48V限低值，在第0.5s时微电网切换为并网状态，PCC重新控制母线电压为额定值50V，并以1.5A的电流恒流充电，在整个过程中，电流内环采用传统PI控制器时，切换过程的过渡时间为0.3s，电压超调量为3.6V，电流超调量为6.6A；而采用LADRC时切换过程的过渡时间为0.09s，电压超调量为1.6V，电流超调量为2.3A。
工况三：负载突变工况
图8(a)是工况三的直流母线电压电感电流仿真波形图；图8(b)是工况三的双向DC/DC变换器电感电流仿真波形图；在0～0.5s微电网处于离网状态，分布式电源为系统供能，母线电压保持为额定值50V，储能双向DC/DC变换器以1.5A的电流进行恒流充电，在第0.5s时负载功率变小，引起母线电压陡升，储能双向DC/DC变换器切换为母线电压限高放电模式，以2.3A的大电流放电，以防止母线电压超过限高值52V。在切换过程中，传统PI控制器虽能快速响应，但稳态电感电流存在毛刺，而LADRC则无上述问题。
通过对以上三种实施例的分析可知，相较于传统PI控制器，采用LADRC电流环可有效抑制母线电压的波动，使双向DC/DC变换器的动态性能和抗扰性能显著提升，验证了本发明的有效性。
上述实施例中介绍了传统PI控制器和LADRC分别作为电流内环时系统的仿真波形对比；通过仿真可以看出，该方法可以有效抑制在模式切换过程中母线电压的波动，有利于系统的稳定运行，延长蓄电池的使用寿命。
此外，本发明不限于上述实施例，上述实施例中描述的只是具体原理和示范说明，应当注意的是，在本发明的具体实施中还会有改进和变形，这些改进和变形也应当在本发明的保护范围内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于LADRC的充放电控制方法，其特征在于:包括以下步骤：
S1:采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，其中
得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
S2:双向DC/DC逆变器的电感的电流值
通过LADRC电流内环经PWM控制双向逆变器的开启和关闭，进而调节双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL，并将双向DC/DC逆变器的电感的电流值IL反馈到LADRC电流内环。
2.根据权利要求1所述的一种基于LADRC的充放电控制方法，其特征在于:所述采集双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
将输出电压
与阈值
阈值
相比较，得到双向DC/DC逆变器不同工作状态时输出的双向DC/DC逆变器的电感的电流值
包括如下形式：
(1)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅱ的输出值，再经过限幅器S2输出双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值小于零；LADRC电流内环的指示电流值Ⅰ大于零，双向DCDC变换器为蓄电池充电；
(2)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值,再经过限幅器S1输出的限与恒流充电的电流值
叠加后的值经过限幅器S3输入给限幅器S2,得到双向DC/DC逆变器的电感的电流值
PI控制器Ⅰ的值大于零；
(3)当
双向DC/DC逆变器负载侧的输出电压
经过PI控制器Ⅰ的输出值双向DC/DC逆变器的电感的电流值
得到PI控制器Ⅰ的值小于零。
3.一种基于LADRC的充放电控制装置，其特征在于:包括PI电压外环控制器、LADRC电流内环控制器和双向DC/DC逆变器；
所述PI电压外环控制器接收电压差值，并将电压差值转换成电流指示值；
所述LADRC电流内环控制器接收所述PI电压外环控制器传送电流指示值，通过LESO提取了电流观测值电流微分值与电流扰动值，通过非线性控制律，将电流观测值、电流微分值与电流扰动值进行PI运算与扰动补偿，得到PWM信号；
所述双向DC/DC逆变器接收所述LADRC电流内环控制器传送的PWM信号，进行开关管的开启或关闭控制。
4.根据权利要求3所述的一种基于LADRC的充放电控制装置，其特征还在于:所述LADRC电流内环控制器包括由跟踪微分器、线性扩张状态观测器和非线性状态误差反馈控制器；
电压外环的输出量指示电流值经微分跟踪器转换为跟踪值X1；
线性扩展状态观测器将电感电流的扰动转化为状态量z3并补偿到非线性状态误差反馈控制器进而生成导通占空比u；非线性误差反馈控制器，根据误差信号经非线性PD控制得到未补偿的控制量，LESO的扰动观测值z3对u0进行补偿，进而生成占空比控制量u，实现无需“积分环节”的无静差控制。
5.根据权利要求3所述的一种基于LADRC的充放电控制装置，其特征还在于:所述自适应PI电压外环控制器包括PI控制器Ⅰ、PI控制器Ⅱ和PI控制器Ⅲ与可变限幅器；
PI控制器Ⅱ的输出值输出到电流内环，PI控制器Ⅱ的输出上限幅值受PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制，PI控制器Ⅱ的输出下限幅值受到PI控制器Ⅰ和PI控制器Ⅲ的输出值限制。
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| CN202011481369.0A CN112600286A (zh) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 一种基于ladrc的充放电控制方法及装置 |
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| CN202011481369.0A Pending CN112600286A (zh) | 2020-12-15 | 2020-12-15 | 一种基于ladrc的充放电控制方法及装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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