CN113206499B - 一种双闭环模型预测与pi复合控制的dab变换器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，具体过程为：首先通过电压外环模型预测控制算法得到内环充放电电流给定值i_ref，然后通过电流内环模型预测控制算法得到变换器k+1时刻的移相比d，其次判断当前实际直流母线电压与给定直流母线电压之间的误差，若上述电压误差处于灵敏度区B以外，则电流内环输出的移相比d就是变换器最终的移相比d_o；若上述电压误差处于灵敏度区B以内，则对该电压误差进行PI控制，将电流内环输出的移相比d与PI控制器得到的移相比补偿量Δd相加得到变换器最终的移相比d₀。针对由新能源发电与储能设备组成的直流微电网系统，通过双闭环模型预测与PI复合控制可以显著提高变换器的动态性能。

Description

一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法

技术领域

本发明涉及储能装置接入微电网直流母线电压的控制方法技术领域，具体说是涉及一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法。

背景技术

太阳能、风能等为代表的新能源，以其清洁、可再生等优点为许多国家所重视，深入研究和高效利用新能源必将减少化石能源在人们生产和生活中的使用比例。新能源发电系统中目前以太阳能、风能研究最为广泛，也是大家认为最具潜力的新能源发电系统，然而其受地理环境、天气状况等外界不可控因素的影响，使得输出功率具有不稳定性和间歇性，极易出现系统输入输出功率的不匹配，从而导致供电电压不稳定等问题。由于储能设备具有削峰填谷的作用，将新能源发电系统、储能设备、负载等结合起来形成一个直流微电网系统，可以充分利用新能源以及储能设备的优点，并与储能设备相结合形成互补，弥补了新能源发电系统具有不稳定性和间歇性的缺点，提高系统供电的稳定性。

在直流微电网系统中，其核心设备是双向DC-DC变换器，它是衔接不同电压等级的直流母线、分布式电源与储能设备重要纽带，可以根据新能源发电设备、负载以及储能设备的情况控制变换器工作在不同的模式，实现能量的双向传输。当新能源发电高峰时，可以利用储能设备存储多余的能量，在遇到新能源发电系统间歇性工作，甚至完全停止工作时，储能设备可以将存储的电能回馈给电网，维持电网电压的稳定，大幅度提高能量的利用率。常见的双向DC-DC变换器分为隔离型和非隔离型两大类。相比于非隔离型DC-DC变换器，隔离型变换器具有输入输出电压调节范围宽、电气隔离等特点，使得系统的电气安全性得到保障。其中，双有源桥(dual-active-bridge(简称DAB))型DC-DC变换器因具有能量双向流动、高功率密度、开关应力小、固有软开关特性、模块化的对称结构等优势而得到国内外学者的广泛关注。

综上所述，由新能源发电与储能设备组成的直流微电网系统，为了保证系统功率实时平衡以及稳定的直流母线电压，动态性能以及抗干扰能力对于双向DC-DC变换器至关重要，同时为了满足单相和三相电网电压的不同需求，要求双向DC-DC变换器具有适应更宽的输入电压范围能力。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法。提高了变换器的动态性能，增强了系统鲁棒性，能实现对储能设备的优化控制，来快速稳定直流微电网系统的直流母线电压，抑制直流母线电压波动。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，用于直流微电网系统的直流母线电压控制，直流微电网系统包括分布式电源、负载以及储能设备，分布式电源和储能设备通过直流母线与负载相连，分布式电源为光伏发电系统或风力发电系统，其中，储能设备由DAB型DC-DC变换器和锂电池组组成，DAB型DC-DC变换器包括两个对称的H桥变换器和高频变压器。直流母线电压控制方法具体过程为：首先通过电压外环模型预测控制算法得到内环充放电电流给定值i_ref，然后通过电流内环模型预测控制算法得到变换器k+1时刻的移相比d，其次判断当前实际直流母线电压与给定直流母线电压之间的误差，若上述电压误差处于灵敏度区B以外，则电流内环输出的移相比d就是变换器最终的移相比d_o；若上述电压误差处于灵敏度区B以内，则对该电压误差进行PI控制，得到移相比的补偿量Δd，将电流内环输出的移相比d与PI控制器得到的移相比补偿量Δd相加得到变换器最终的移相比d₀。

(三)有益效果

本发明提供了一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法。具备以下有益效果：

本发明针对由新能源发电与储能设备组成的直流微电网系统，通过双闭环模型预测与PI复合控制可以显著提高变换器的动态性能，增强系统的鲁棒性，特别是在系统受到外界干扰时，储能设备可以快速进行调节，实现直流母线电压的稳定。

附图说明

图1是本发明基于双闭环模型预测与PI复合控制的稳定直流母线电压方法中直流微电网系统的结构示意图；

图2是本发明基于双闭环模型预测与PI复合控制的稳定直流母线电压方法中储能设备3的主电路拓扑DAB型DC-DC变换器的电路图；

图3是本发明基于双闭环模型预测与PI复合控制的稳定直流母线电压方法的软件流程图；

图1中，1.分布式电源，2.负载，3.储能单元。

具体实施方式

下面将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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1是本发明基于双闭环模型预测与PI复合控制的稳定直流母线电压方法中直流微电网系统的结构示意图。直流微电网系统包括分布式电源1、负载2以及储能单元3，分布式电源1和储能单元3通过直流母线与负载2相连。分布式电源为光伏发电系统或风力发电系统，系统功率实时平衡以及直流母线电压的稳定依靠储能单元的功率双向流动来实现。当分布式电源发出的能量大于负载所需能量时，会导致直流母线电压升高，通过储能单元进行储能，锂电池充电，能量正向流动；当分布式电源发出的能量小于负载所需能量时，会导致直流母线电压降低，通过储能单元进行释能，锂电池放电，能量反向流动。

图2是本发明基于双闭环模型预测与PI复合控制的稳定直流母线电压方法中储能设备3的主电路拓扑DAB型DC-DC变换器的电路图。DAB型DC-DC变换器由两个对称的H桥变换器和高频变压器组成，高频变压器能有效实现初级侧与次级侧的电气隔离与能量传输。对于高频变压器的初级侧，初级侧H桥变换器的输入端与直流母线连接，且并联连接直流母线支撑电容c_in，该H桥变换器的一个输出端连接有外部附加电感，通过该电感与高频变压器初级线圈的一端连接，高频变压器初级线圈的另一端连接该H桥变换器的另一个输出端，其中外部附加电感值与高频变压的漏电感之和记为L₁。对于高频变压器的次级侧，次级侧H桥变换器的两个输入端分别与高频变压器的次级线圈的两个端子相连，该H桥变换器的一个输出端连接电容-电感-电容(C-L-C)电路，再与锂电池组的正极连接，其中第一个电容C₂和电感L₂起滤波作用，第二个电容C₃起支撑锂电池端电压作用。锂电池组的负极与该H桥变换器的另一个输出端、电容第一个电容C₂和第二个电容C₃的负极相连。初级侧和次级侧的两个H桥变换器的开关管分别按照从高频变压器的初级侧到次级侧以及从上桥臂到下桥臂依次命名为为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8，初级侧H桥变换器包括S1、S2、S3、S4四个功率开关管，次级侧H桥变换器包括S5、S6、S7、S8四个功率开关管。为便于分析，本文采用单移相控制方式，同时本方法也适用于扩展移相等其它移相控制方式。单移相控制式DAB变换器最简单的控制方式，它只有一个桥间移相比变量d₀可以控制，d₀定义为移相角度theta与180°的比值。以功率开关管S1的驱动信号为基准，设定功率开关管S1的驱动信号为50％占空比的信号，功率开关管S2和S3的驱动信号滞后功率开关管S1的驱动信号180°，功率开关管S4的驱动信号与功率开关管S1的驱动信号相同，功率开关管S5和S8的驱动信号滞后功率开关管S1的驱动信号的角度为theta，功率开关管S6和S7的驱动信号滞后功率开关管S5的驱动信号180°。通过控制移相比d₀，可以决定变换器传输功率的大小和方向，当d₀>0时，变换器功率正向传输，即锂电池处于充电模式，当d₀<0时，变换器功率反向传输，即锂电池处于放电模式。S1、S3表示初级侧H桥变换器第一桥臂的上、下功率开关管，S2、S4表示第二桥臂的上、下功率开关管，V_P表示初级侧H桥变换器输出电压，i_L1表示流过辅助电感的电流，S5、S7表示次级侧H桥变换器第一桥臂的上、下功率开关管，S6、S8表示第二桥臂的上、下功率开关管，V_s表示次级侧H桥变换器输入电压，i_c2表示流过滤波电容的电流，i_c3表示流过锂电池端支撑电容的电流，f_s表示采样频率，K_I表示微分系数。

请参阅图3，一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，包括如下步骤：

步骤1，将k时刻储能单元输入电流采样平均值k时刻直流母线电压采样平均值/>k时刻次级侧H桥变换器输出电压采样平均值/>以及直流母线电压给定值/>带入到电压外环模型预测控制算法的公式(1)中：

得到内环充放电电流给定值i_ref；u_in表示直流母线电压，其中，C_in是直流母线支撑电容，T表示采样周期；

步骤2，计算电流内环模型预测控制算法下的移相比d；

在一个采样周期内，次级侧H桥滤波电感L₂两端的电压状态方程可以表述为：

式中，L₂是次级侧H桥的滤波电感，表示流过电感L₂电流的平均值，u_o表示次级侧H桥变换器输出电压，/>表示次级侧H桥变换器的输出电压平均值，u_b表示锂电池端电压，表示次级侧锂电池两端电压的平均；

式(2)中次级侧H桥滤波电感L₂电流的平均值的微分项在一定程度上反映了输出电流的变化趋势，采用一阶前向差分对式(2)进行离散化，可得：

式中，是k+1时刻次级侧H桥滤波电感L₂电流平均值，/>是k时刻次级侧H桥滤波电感L₂电流平均值，T表示采样周期，/>表示k时刻次级侧H桥变换器输出电压平均值，/>表示k时刻锂电池端电压平均值；

通过式(2)和式(3)可以得到k+1时刻滤波电感电流表达式：

为了对锂电池充放电电流进行控制，根据式(4)建立充放电电流评价函数F_i(k)：

式中，是锂电池充放电电流参考值，它等于电压外环模型预测控制输出的电流值，即/>

又因为DAB变换器一个开关周期内传输的功率为：

式中，n是高频隔离变压器初级侧与次级侧的线圈匝数之比，直流母线电压平均值，/>是次级侧H桥变换器输出电压平均值，/>L₁表示变压器漏感与辅助电感之和；d是单移相控制的移相比；所述步骤2中当i_ref≥0时，变换器功率正向传输，即锂电池处于充电模式；当i_ref＜0时，变换器功率反向传输，即锂电池处于放电模式；

忽略系统的损耗，可以得到次级侧H桥变换器的输出电流平均值为：

式中：i₂表示次级侧H桥变换器输出电流，表示次级侧H桥变换器的输出电流平均值；

又因为稳态时电容C₂在一个开关周期内的平均电流值为零：

联合式(5)、(6)、(7)、(8)可以得到式(9)：

由式(9)可以看出，评价函数越小，表示下一时刻锂电池充放电电流与给定参考电流的偏差越小，从而达到控制锂电池充放电电流的目的，因此，所选取的次级侧H桥变换器的输出电流应该使得式(9)所表示的评价函数最小，即

从而可以得到k+1时刻变换器在充电模式(i_ref≥0)和放电模式(i_ref＜0)下的移相比d：

步骤3：判断当前实际直流母线电压与给定直流母线电压之间的误差；

将直流母线电压给定值与采样得到的k时刻直流母线电压平均值U_in(K)相减得到直流母线电压的误差/>为了避免PI控制器影响系统的动态响应，进而降低预测控制的快速控制效果，因而只在变换器处于稳态时采用PI控制进行移相比补偿；人为设置灵敏度区B，灵敏度区B是一个可调参数，引入灵敏度区既可以利用PI控制器进行移相比补偿，减小稳态误差，提高系统控制精度，又不会对系统的快速性产生影响；即当|ΔU_in(K)|＞B时，变换器处于动态调整过程，移相比补偿量Δd＝0，跳转到步骤5，当|ΔU_in(K)|≤B，变换器处于稳态过程，跳转到步骤4，进行移相比补偿量Δd计算；

步骤4，通过PI控制算法得到移相比补偿量Δd的具体过程为：

在DAB储能变换器实际运行中，由于测量误差、电容电感参数的误差以及在推导预测控制算法过程中对线路阻抗、变换器死区时间、开关管压降等忽略因素的影响，使得预测控制计算出的移相比与实际值之间存在偏差，引起控制系统的稳态误差；PI控制器是一种线性控制，根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，可以改善控制系统的稳态性能，为消除由外界原因引起的控制偏差，引入PI控制，形成复合控制，PI控制的输出Δd表达式如式(12)所示：

式中为k时刻直流母线电压的偏差，K_P为比例系数，K_I为积分系数；

步骤5：计算单移相控制的移相比；

将电流内环输出的移相比d与移相比补偿量Δd相加，得到变换器的最终移相比d_o，如式(13)所示：

d_o＝d+Δd (13)

将得到的d_o与1/2开关周期相乘得到移相角theta，然后根据移相角theta，采用经典的单移相角调制方法产生DAB型变换器S1～S8开关管的开关信号，进而实现对直流母线电压的控制；

得到最终移相比d_o的软件流程图如图3所示；首先采集储能单元输入电流i_in、直流母线电压u_in、输出电压u_o、电池电压u_b，计算得到k时刻各变量的平均值根据式(1)计算得到电压外环模型预测控制输出的内环充放电电流给定值i_ref；当i_ref≥0时，变换器正向传输功率，即锂电池处于充电模式，根据式(11)中对应的充电模式计算移相比d；当i_ref＜0时，变换器反向传输功率，即锂电池处于放电模式，根据式(11)中对应的放电模式计算移相比d。然后判断直流母线电压的误差，若|ΔU_in(K)|≤B，则根据式(12)计算移相比的补偿量Δd；若|ΔU_in(K)|＞B，则移相比的补偿量为零，即Δd＝0。最后根据式(13)计算得到最终的移相比d₀。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，将k时刻储能单元输入电流采样平均值k时刻直流母线电压采样平均值k时刻次级侧H桥变换器输出电压采样平均值/>以及直流母线电压给定值/>带入到电压外环模型预测控制算法的公式(1)中：

得到内环充放电电流给定值i_ref；其中，C_in是直流母线支撑电容，T表示采样周期；

步骤2，计算电流内环模型预测控制算法下的移相比d；

在一个采样周期内，次级侧H桥滤波电感L₂两端的电压状态方程可以表述为：

式中，L₂是次级侧H桥的滤波电感，表示流过电感L₂电流的平均值，/>表示次级侧H桥变换器的输出电压平均值，/>表示次级侧锂电池两端电压的平均；

式(2)中次级侧H桥滤波电感L₂电流的平均值的微分项在一定程度上反映了输出电流的变化趋势，采用一阶前向差分对式(2)进行离散化，可得：

式中，是k+1时刻次级侧H桥滤波电感L₂电流平均值，/>是k时刻次级侧H桥滤波电感L₂电流平均值，T表示采样周期，/>表示k时刻次级侧H桥变换器输出电压平均值，/>表示k时刻锂电池端电压平均值；

通过式(2)和式(3)可以得到k+1时刻滤波电感电流表达式：

为了对锂电池充放电电流进行控制，根据式(4)建立充放电电流评价函数F_i(k)：

式中，是锂电池充放电电流参考值，它等于电压外环模型预测控制输出的电流值，即

又因为DAB变换器一个开关周期内传输的功率为：

式中，n是高频隔离变压器初级侧与次级侧的线圈匝数之比，直流母线电压平均值，是次级侧H桥变换器输出电压平均值，/>L₁表示变压器漏感与辅助电感之和；d是单移相控制的移相比；

忽略系统的损耗，可以得到次级侧H桥变换器的输出电流平均值为：

又因为稳态时电容C₂在一个开关周期内的平均电流值为零：

联合式(5)、(6)、(7)、(8)可以得到式(9)：

由式(9)可以看出，评价函数越小，表示下一时刻锂电池充放电电流与给定参考电流的偏差越小，从而达到控制锂电池充放电电流的目的，因此，所选取的次级侧H桥变换器的输出电流应该使得式(9)所表示的评价函数最小，即

从而可以得到k+1时刻变换器在充电模式(i_ref≥0)和放电模式(i_ref＜0)下的移相比d：

步骤3：判断当前实际直流母线电压与给定直流母线电压之间的误差；

将直流母线电压给定值与采样得到的k时刻直流母线电压平均值U_in(K)相减得到直流母线电压的误差/>为了避免PI控制器影响系统的动态响应，进而降低预测控制的快速控制效果，因而只在变换器处于稳态时采用PI控制进行移相比补偿；人为设置灵敏度区B，灵敏度区B是一个可调参数，引入灵敏度区既可以利用PI控制器进行移相比补偿，减小稳态误差，提高系统控制精度，又不会对系统的快速性产生影响；即当|ΔU_in(K)|＞B时，变换器处于动态调整过程，移相比补偿量Δd＝0，跳转到步骤5，当|ΔU_in(K)|≤B，变换器处于稳态过程，跳转到步骤4，进行移相比补偿量Δd计算；

步骤4，通过PI控制算法得到移相比补偿量Δd的具体过程为：

在DAB储能变换器实际运行中，由于测量误差、电容电感参数的误差以及在推导预测控制算法过程中对线路阻抗、变换器死区时间、开关管压降等忽略因素的影响，使得预测控制计算出的移相比与实际值之间存在偏差，引起控制系统的稳态误差；为消除由外界原因引起的控制偏差，引入PI控制，形成复合控制，PI控制的输出Δd表达式如式(12)所示：

式中为k时刻直流母线电压的偏差，K_P为比例系数，K_I为积分系数；

步骤5：计算单移相控制的移相比；

将电流内环输出的移相比d与移相比补偿量Δd相加，得到变换器的最终移相比d_o，如式(13)所示：

d_o＝d+Δd (13)

将得到的d_o与1/2开关周期相乘得到移相角theta，然后根据移相角theta，采用经典的单移相角调制方法产生DAB型变换器S1～S8开关管的开关信号，进而实现对直流母线电压的控制。

2.根据权利要求1所述的一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，其特征在于，所述步骤2中当i_ref≥0时，变换器功率正向传输，即锂电池处于充电模式；当i_ref＜0时，变换器功率反向传输，即锂电池处于放电模式。

3.根据权利要求1所述的一种双闭环模型预测与PI复合控制的DAB变换器控制方法，其特征在于，所述步骤4中PI控制器是一种线性控制，根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，可以改善控制系统的稳态性能。