CN113488983A - 一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法 - Google Patents

一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，属于微电网混合储能技术领域。技术方案是：包含可变时间常数低通滤波器功率分配算法、虚拟直流电机控制和储能单元能量管理以及反馈校正的模型预测控制。本发明有益效果：在传统的PI双闭环控制的基础上，加入了VDCM控制，能够抑制负荷波动对混合储能系统影响，有效提升混合储能系统的稳定性；通过设计基于储能荷电状态的可变时间常数低通滤波功率分配算法，有效控制蓄电池和超级电容的充放电深度，避免过充过放现象出现；提出的反馈校正模型预测控制，能够有效提高系统的动态响应，在负荷扰动时加快电压恢复速度，并且能进一步增加系统的稳定性。

Description

一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流 母线电压的方法
技术领域
本发明涉及一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，考虑微电网中混合储能系统直流母线电压虚拟电机预测模型控制以及储能单元能量管理的一致性，属于微电网混合储能技术领域。
背景技术
由于接入微电网的分布式电源输出功率的随机性以及负载的波动性，微网系统的电能质量和稳定性受到较大影响。加之电力电子接口装置缺乏惯性，多机并联可能会导致系统振荡甚至诱发失稳。因此，为了让微电网系统达到功率供需平衡，需要配置储能提升系统的稳定性。储能技术中常将蓄电池和超级电容组合成混合储能系统(HESS)，二者优势互补，作为能量型储能的蓄电池主要平滑功率变动时的稳态分量，而功率型储能超级电容响应速度快，适用于承担暂态分量，让储能装置的性能大幅提升。然而，混合储能HESS装置并联时，需要控制策略合理地将功率分配给各个储能单元，以此减小母线侧电压波动，提高系统的动态响应和稳定性。
近年来，在HESS中，对于控制储能元件和实现功率流动的双向DC-DC变换器，控制策略上仍大多采用传统的PI双闭环，但无法有效地改善系统的稳定性，且由于自身的滞后性，不能较好的反映储能系统的动态性能。有学者将双闭环控制中的电压外环与电流内环用一阶自抗扰控制器控制，实现了更灵活的控制，或者通过对直流侧建立PCH模型，用ES控制器实现对PI控制的替换，但需要储能单元采取反馈互联的级联方式，不能有效地对储能单元单独控制。有文献在直流变换器采用了虚拟直流电机控制，通过模拟电机的特性为直流微电网加入惯性和阻尼，有效地减小的功率扰动带来的母线电压波动，提高稳定性，但采用的控制模型鲜有应用于混合储能中。为了提高系统的动态响应，出现了各种先进的非线性控制算法，例如模糊神经控制和滑膜控制。近年来，模型预测控制已被广泛使用和深入研究，但其在HESS中的应用仍然较少。总之，在HESS中结合功率分配以及稳定直流母线电压的方法还有待改善。
发明内容
本发明目的上提供一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，在传统的PI双闭环控制的基础上，加入了VDCM控制，能够抑制负荷波动对混合储能系统影响，有效提升混合储能系统的稳定性；通过设计基于储能荷电状态的可变时间常数低通滤波功率分配算法，有效控制蓄电池和超级电容的充放电深度，避免过充过放现象出现；提出的反馈校正模型预测控制，能够有效提高系统的动态响应，在负荷扰动时加快电压恢复速度，并且能进一步增加系统的稳定性，解决已有技术存在的上述技术问题。
本发明技术方案是：
一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，包含可变时间常数低通滤波器功率分配算法、虚拟直流电机控制和储能单元能量管理以及反馈校正的模型预测控制；步骤如下：首先是基于功率分配的VDCM-FCMPC控制的小信号模型，分析转动惯量和阻尼对电池以及超级电容的影响，在此基础上，在低通滤波器的时间常数上增加对储能单元SOC的反馈，根据限值分区来调节时间常数T，进而分配两者所需承担的功率；第二是对电流内环引入模型预测控制，并提出反馈校正模型预测控制，通过在代价函数中利用上一时刻的数据对传统MPC进行反馈校正，并加入直流电压母线补偿量，减少电压波动。
所述可变时间常数低通滤波器功率分配算法，用于将功率波动分为高频功率扰动和低频功率扰动，通过将储能单元的荷电状态反馈到低通滤波器中的滤波时间常数，控制超级电容和蓄电池承担功率的大小和储能充放电深度。
所述虚拟直流电机控制和储能单元能量管理，虚拟直流电机控制通过模拟直流电机所具有的转动惯量和阻尼特性，以增强混合储能系统直流母线电压的稳定性。
所述反馈校正的模型预测控制，为通过搭建系统预测模型来预测电感电流未来变化趋势，通过比较实际情况以及参考轨迹进而评估出最优化的开关状态输出，通过加入反馈校正环节实现对控制的优化。
本发明包含：建立适用于混合储能的考虑功率分配的虚拟直流电机(VDCM)控制模型；对虚拟直流电机(VDCM)控制引入反馈校正模型预测控制(FCMPC)进行优化，达到改善混合储能系统直流母线电压稳定性和动态性能并提高储能系统工作效率的目的。
本发明技术方案具有如下有益效果
(1)本发明在传统的PI双闭环控制的基础上，加入了VDCM控制，能够抑制负荷波动对混合储能系统影响，有效提升混合储能系统的稳定性。
(2)本发明在通过设计基于储能荷电状态的可变时间常数低通滤波功率分配算法，有效控制蓄电池和超级电容的充放电深度，避免过充过放现象出现。
(3)本发明提出的反馈校正模型预测控制，能够有效提高系统的动态响应，在负荷扰动时加快电压恢复速度，并且能进一步增加系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例混合储能系统拓扑图；
图2是本发明实施例双向半桥变换器的VDCM控制小信号模型图；
图3是本发明实施例不同滤波时间常数T下功率单位阶跃响应图；
图4是本发明实施例储能SOC限值分区图；
图5是本发明实施例Boost工作状态下不同开关模式的变换器等效模型图；
图6为本发明实施例互相关运算测距结果图；
图7为VDCM中电流内环的PI控制、传统MPC、反馈校正MPC的对比；
图8为对模型进行的负荷波动；
图9为超级电容SOC；
图10为蓄电池SOC。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，包含可变时间常数低通滤波器功率分配算法、虚拟直流电机控制和储能单元能量管理以及反馈校正的模型预测控制；步骤如下：首先是基于功率分配的VDCM-FCMPC控制的小信号模型，分析转动惯量和阻尼对电池以及超级电容的影响，在此基础上，在低通滤波器的时间常数上增加对储能单元SOC的反馈，根据限值分区来调节时间常数T，进而分配两者所需承担的功率；第二是对电流内环引入模型预测控制，并提出反馈校正模型预测控制，通过在代价函数中利用上一时刻的数据对传统MPC进行反馈校正，并加入直流电压母线补偿量，减少电压波动。
所述可变时间常数低通滤波器功率分配算法，用于将功率波动分为高频功率扰动和低频功率扰动，通过将储能单元的荷电状态反馈到低通滤波器中的滤波时间常数，控制超级电容和蓄电池承担功率的大小和储能充放电深度。
所述虚拟直流电机控制和储能单元能量管理，虚拟直流电机控制通过模拟直流电机所具有的转动惯量和阻尼特性，以增强混合储能系统直流母线电压的稳定性。
所述反馈校正的模型预测控制，为通过搭建系统预测模型来预测电感电流未来变化趋势，通过比较实际情况以及参考轨迹进而评估出最优化的开关状态输出，通过加入反馈校正环节实现对控制的优化。
在实施例中，图1为混合储能系统拓扑图。考虑低通滤波功率分配的虚拟直流电机控制模型中，以储能单元荷电状态作为约束条件。
在VDCM与电流内环间加入低通滤波器，实现储能系统的功率分配。
图2为双向半桥变换器的VDCM控制小信号模型，以蓄电池端放电状态为例，则令ΔIsc_ref＝0，可求得变压器输出电压与电压参考值之间的开环传递函数Gopen(s)，以及变换器输出电压与功率之间的传递函数Gup(s)、Gpu(s)分别为式(1)-(3)所示。
Figure BDA0003164026720000041
Figure BDA0003164026720000042
Figure BDA0003164026720000043
其中：
Figure BDA0003164026720000044
G2(s)＝CTΦ (5)
Figure BDA0003164026720000045
Figure BDA0003164026720000046
Figure BDA0003164026720000047
Figure BDA0003164026720000048
Figure BDA0003164026720000049
Figure BDA00031640267200000410
式中，Vm为载波峰值，R为输出端等效电阻，d为占空比，Ubat为变换器输入电压，iL为变换器电感电流，Udc为变换器输出电压，也是直流母线电压，L为变换器电感，C为变换器滤波电容，S1与S2为开关管，D1与D2为二极管，E为直流电机的电枢电动势，Uo为直流电机的机端电压，Ia为直流电机的电枢电流，Ra为电枢回路的等效电阻。
假设T＝T0+ΔT，T0为时间常数初始值，Td为ΔT的最大变化值；对蓄电池和超级电容的SOC分为五个工作区域：过充区，充电限制区，正常工作区，放电限制区，过放区。
图3为储能单元SOC限值分区，其中SOCes_low，SOCes_high分别表示储能单元的过充过放限制值，SOCes_max，SOCes_min分别表示储能单元SOC的最大工作值和最小工作值；工作状态具有正常工作、最值功率分配工作、全额功率工作三种。
1)在正常工作状态时，SOC高的储能单元应满足“多放少充”原则，SOC低者满足“多充少放”原则，以使它们趋向均衡。根据上节得到的T和电池单元被分配的瞬时功率成反比的关系，可进一步推导出滤波器时间常数变化和单元SOC权重间的关系。
当PHESS<0，两储能单元处于充电状态。首先判断两者SOC的高低，低者“多充电”。如果SOCsc<SOCbat，超级电容应多充电，即承担更大的充电瞬时功率。此时T应当增大，ΔT应为正；且应选大的SOC权重为调整比率，以加快调整速度。综合以上原则设定滤波时间常数增量ΔT为：
Figure BDA0003164026720000051
当PHESS<0且SOCbat<SOCsc时，电池应多充电，此时T应当减少，ΔT应为负。选大的SOC权重为调整比率，此时滤波时间常数增量ΔT为：
Figure BDA0003164026720000052
同理，当PHESS>0，两储能单元放电时，SOC高者应“多放电”，若超级电容高，则让ΔT为正；电池高，则让ΔT为负；并按大SOC权重选调整比率。若SOCsc>SOCbat，ΔT应为：
Figure BDA0003164026720000053
若PHESS>0且SOCbat>SOCsc，ΔT应为：
Figure BDA0003164026720000054
2)当有储能单元进入放电限制区时，仍参与功率分配，但以最小的功率分配量进行放电，以最大功率分配量进行充电。例如超级电容进入放电限制区时，当PHESS>0，此时ΔT为:
△T＝-Td (24)
当PHESS<0，ΔT为:
△T＝Td (25)
进入充电限制区时则相反。因此，这种情况下ΔT＝±Td。
3)当某个储能单元SOC进入过充过放区时停止工作，另一个储能单元(ES)将全额工作，此时PES＝PHESS，停止功率分配环节；当两个都进入过充过放区，储能系统停止工作，等待下一次能量补充或释放。根据以上策略保证储能单元的持续工作时间以及整体寿命。
对虚拟直流电机控制中的PI电流内环替换为基于电感电流的模型预测控制，并对误差代价函数中引入了直流母线电压分量，以及对电感电流以及直流母线电压进行反馈校正形成闭环系统。
图4为Boost工作状态下不同开关模式的变换器等效模型，根据双向半桥变换器数学模型，建立电感电流的预测模型，分别求出不同状态下等效的离散状态方程，然后判断下一时刻的开关管工作状态。以Boost工作模式为例进行分析，可得出双向半桥变换器主要存在两种工作模态，iL的方向表示电感电流参考方向。
图4(a)为变换器S1，S2关断时，二极管D1导通的工作状态，此时电感放出能量。此时可得电路关系式
Figure BDA0003164026720000061
Figure BDA0003164026720000062
将上式离散化可得预测电流、电压方程：
Figure BDA0003164026720000063
Figure BDA0003164026720000064
图4(b)为变换器S1关断，S2导通时，二极管D1反向截止的工作状态，此时电感吸收能量。此时可得电路关系式：
Figure BDA0003164026720000065
Figure BDA0003164026720000066
将上式离散化可得预测电流、电压方程：
Figure BDA0003164026720000067
Figure BDA0003164026720000068
传统误差代价函数为：
Figure BDA0003164026720000069
对于传统的预测控制，误差代价函数主要以系统预测输出与期望值之间的误差最小化为目标进行系统优化，但实际上两者之间会存在一定的偏差，而且以上控制仅仅是开环模型，受到功率波动的影响时降低预测精度，所以需要加入反馈校正项，利用现有检测值对下一时刻预测值进行校正，构成稳定的闭环控制，完成反馈校正模型预测控制(FCMPC)。另外为了实现给定电流跟踪以及提高直流母线电压的抗干扰性，将电感电流的预测值和直流母线电压均作为误差代价函数的一部分。其中电感电流与直流母线电压的校正值分别为式(35)和式(36)，其中μ和ν为校正系数。
Figure BDA0003164026720000071
Figure BDA0003164026720000072
误差代价函数可表示为式(37)，α和β分别代表电感电流误差和直流母线电压误差权重。选取让误差代价函数最小的开关模式作为最优解并输出作用于变换器。
Figure BDA0003164026720000073
其中：
Figure BDA0003164026720000074
Figure BDA0003164026720000075
图5为混合储能系统仿真模型，包括一个蓄电池，一个超级电容，两个双向半桥DC/DC变换器和可变功率的直流负荷。表1为混合储能系统设计参数。
表1混合储能系统仿真参数
Figure BDA0003164026720000076
图6为变换器VDCM控制与PI控制的对比。设定的直流负荷在2s时突增2kW此时PI控制下的超调电压较大，约为7.7V；而VDCM控制带来的惯性阻尼特性，使得负荷投切过程中，直流母线电压受扰减小44％。
图7为VDCM中电流内环的PI控制、传统MPC、反馈校正MPC的对比。在仿真时间2s处将负荷突增2kW。基于PI电流内环的混合储能系统在负荷突增时母线电压超调量为4.3V，经过300ms恢复稳态。对于传统MPC电流内环控制下的混合储能系统，母线电压超调量略微下降，动态响应速度有较大提高，相对减少了57％。而反馈校正MPC控制方法下的系统直流母线电压波动进一步降低30％，调节时间减少大约66.7％，较大的提高了系统稳定性，体现了该控制的有效性。
图8为对模型进行的负荷波动。图9为超级电容SOC。图10为蓄电池SOC。设定的直流负荷的功率波形，呈脉冲型波动，初始功率为5kW，波动值为5kW。在超级电容的SOC大于蓄电池SOC的情况下，超级电容SOC在放电过程比未采用能量管理时下降更快，充电过程中上升较慢，符合SOC低者多放电少充电的规则；在功率波动的情况下，由于蓄电池SOC较低则延缓了放电速度，使蓄电池不会过早进入工作限制区，有效地改变了储能单元充放电深度。

Claims (4)

1.一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，其特征在于：包含可变时间常数低通滤波器功率分配算法、虚拟直流电机控制和储能单元能量管理以及反馈校正的模型预测控制；步骤如下：首先是基于功率分配的VDCM-FCMPC控制的小信号模型，分析转动惯量和阻尼对电池以及超级电容的影响，在此基础上，在低通滤波器的时间常数上增加对储能单元SOC的反馈，根据限值分区来调节时间常数T，进而分配两者所需承担的功率；第二是对电流内环引入模型预测控制，并提出反馈校正模型预测控制，通过在代价函数中利用上一时刻的数据对传统MPC进行反馈校正，并加入直流电压母线补偿量，减少电压波动。
2.根据权利要求1所述的一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，其特征在于：所述可变时间常数低通滤波器功率分配算法，用于将功率波动分为高频功率扰动和低频功率扰动，通过将储能单元的荷电状态反馈到低通滤波器中的滤波时间常数，控制超级电容和蓄电池承担功率的大小和储能充放电深度。
3.根据权利要求1所述的一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，其特征在于：所述虚拟直流电机控制和储能单元能量管理，虚拟直流电机控制通过模拟直流电机所具有的转动惯量和阻尼特性，以增强混合储能系统直流母线电压的稳定性。
4.根据权利要求1所述的一种基于功率分配的虚拟直流电机和模型预测联合稳定直流母线电压的方法，其特征在于：所述反馈校正的模型预测控制，为通过搭建系统预测模型来预测电感电流未来变化趋势，通过比较实际情况以及参考轨迹进而评估出最优化的开关状态输出，通过加入反馈校正环节实现对控制的优化。
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