CN114179642A - 一种基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电力电子与电力传动技术领域，公开了一种基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置，双主电路拓扑进行功率变换；采样电路通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流；调理电路将采集的交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流转换成0‑3.3V电压信号；控制芯片进行整体控制；光耦隔离驱动电路将PWM控制信号转换成用于驱动IGBT功率管的开通与关断的0‑15V控制信号；温度采样电路进行功率管温度的采样；通讯电路通过通讯协议连接能量管理与监控系统，实时传输系统各项运行数据。本发明提高充放电的电能质量大大加强了改装置的可靠性、安全性及抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于电力电子与电力传动技术领域，尤其涉及一种基于强鲁棒预测 控制算法的新能源汽车双向充放电装置。
背景技术
目前，随着工业、交通等领域的不断发展，环境污染和资源紧缺的问题愈 发严重。为了改善传统燃油汽车的排放物对环境破坏和以及石油能源紧缺的两 大问题，新能源电动汽车逐步开始大力推广。随着新能源电动汽车的用户逐年 增多，如何更加高效地实现电网能量与车载动力电池能量之间双向流动(Vehicle to Grid)对于新能源储能、电动汽车普及智能电网建设均有重大意义。
随着智能电网的发展，未来大量的电动汽车车载电池可作为电网的分布式 储能单元。据统计，一台电动汽车95％的时间处于停驶状态，可以通过智能电 网的调度及用户需求，在电网高峰负荷时段由电动汽车车载电池作为储能单元 将能量流向电网，解决大规模用户用电问题。在电网负荷较小时，电网对电动 车有序充电将能量传输到电动汽车上。
新能源汽车双向充放电装置有隔离型与非隔离型两种，隔离型的双向充放 电装置一般在直流侧增加一个变压器进行隔离。隔离型的变换器转换效率低， 变压器体积较大，成本高且设计复杂。非隔离型的双向充放电装置则没有变压 器，因为电网侧与车载电池没有直接隔离，所以其安全性以及抗干扰能力相较 于隔离型变换器会差一些。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的新能源汽车双向充 放电装置转换效率低，变压器体积较大，成本高且设计复杂，安全性低。
现有的市面上的充电装置为单向隔离型，采用非隔离型在这些点上都有改 善。
解决以上问题及缺陷的难度为：
要解决转换效率以及体积问题，就必须改善充放电装置的隔离型变压器。 如果通过高频来提高变压器的效率减小体积，则开关损耗会随着频率上升而增 大，效率提升效果不大。如果通过采用非隔离型，则由于充放电装置两端在硬 件上直通，则前后级之间会相互干扰，对整体系统的控制要求较高，要有较好 的鲁棒性。
解决以上问题及缺陷的意义为：提高新能源汽车充放电的转换效率可以更 加高效地实现电网新能源汽车之间的能量互动，可以有效解决电网储能以及供 电问题，通过非隔离的结构，可以节省变压器成本，降低器件体积及重量；更 好的普及该双向充放电装置。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于强鲁棒预测控制算法的 新能源汽车双向充放电装置。
本发明是这样实现的，一种基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充 放电装置，包括：
双主电路拓扑、采样电路、调理电路、控制芯片、光耦隔离驱动电路、温 度采样电路、通讯电路、保护电路；
所述双主电路拓扑包括：三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构与三相交错 并联双向DC/DC变换器拓扑结构；用于进行功率变换；
采样电路，用于通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集交流侧、 直流侧、电池侧的电压和电流；
调理电路，用于将采样电路采集的交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流 转换成0-3.3V电压信号；
控制芯片，用于对转换得到的电压信号进行A/D转换并滤波，并根据相应 的控制算法得到相应的PWM控制信号；同时用于判断温度采集电路采集的温 度是否超过预设阈值，并基于判断结果生成对应的控制指令；
光耦隔离驱动电路，用于将所述PWM控制信号转换成用于驱动IGBT功 率管的开通与关断的0-15V控制信号；
温度采样电路，用于进行功率管温度的采样；
通讯电路，用于通过通讯协议连接能量管理与监控系统，实时传输系统各 项运行数据；
保护电路，用于当出现过压、过流时进行瞬时关断，同时微秒级切断PWM 控制信号的输出。
进一步，所述双主电路拓扑包括：
三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构，用于流电网与直流母线直接的能量 变换；
三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构，用于进行直流母线与动力电池 组之间的能量变换。
进一步，所述控制芯片以DSP28377+FPGA为核心，CPLD辅助处理；
所述控制芯片包括：
DSP，用于处理、PWM、数学运算；
FPGA，用于处理AD采样及DA处理输出；
CPLD，用于进行外围数字量处理，脉冲封锁；
电源为金升阳开关电源提供的直流电源。
本发明的另一目的在于提供一种所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽 车双向充放电装置的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控 制方法，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法 包括：
采用模型预测与扰动观测器结合，利用扩张状态观测器将模型简化，并实 时观测简化后模型的及总扰动，通过代价函数计算无差拍控制的最优解，于整 流运行时，进行中间直流母线电压与蓄电池在负载扰动下的电压控制；于逆变 运行时，进行中间直流母线电压与逆变侧有功功率及无功功率的控制。
进一步，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制 方法包括以下步骤：
步骤一，进行前级功率预测控制：于正向整流时，结合扩张状态观测器观 测功率扰动及线路中参数扰动，得到所需的电压矢量，并通过SVPWM调制得 到调制效果；
步骤二，进行后级电压电流双环预测控制：于逆变运行时，结合扩张状态 观测器观测负载扰动及线路的参数扰动，通过CPS-PWM减小低压侧的纹波。
进一步，步骤一中，所述进行前级功率预测控制包括：
以中间电容为连接点，母线电压外环利用扩张状态观测器观测得到因连接 两级产生的扰动与其他扰动的集总，将模型简化模型成积分串联型，再通过模 型预测得到将下一时刻的电压值，设计代价函数为误差值的范数，通过代价函 数求导，得到极小值点即无差拍控制策略；
内环采用无差拍预测功率控制策略得到最优的控制矢量，将其输出至 SVPWM，得到最终的开关信号；在DC-DC侧，将扩张状态观测器与模型预测 进行结合，采用外环输出电压控制与内环电感电流控制的方式得到最优占空比； 将占空比输出到CPS-PWM，得到开关信号。
进一步，所述电压外环模型预测控制的代价函数为：
其中，udc表示直流母线电压；
表示母线电压给定值，当
时，g1＝0 最小，此时得到的k+1时刻的母线电压为
给定功率大小为：
进一步，所述扩张状态观测器如下：
其中，z＝(z1 z2)T表示状态变量x＝(x1 x2)T的观测值，L＝[β1 β2]T表示增益矩阵。
进一步，步骤二中，所述进行后级电压电流双环预测控制包括：
将各个环节的模型简化成积分串联型，并通过扩张状态观测器观测得到集 总扰动，将观测的扰动对无差拍预测控制进行补偿。
进一步，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制 方法还包括：
采用矢量控制方案，将abc坐标系下的标量装换为αβ坐标系下的矢量。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：
本发明与传统隔离型双向充放电装置对比，其优势主要在于：非隔离的拓 扑，其硬件上主要优势是其工作效率高，体积小与开关管电流应力低等；与一 般非隔离型双向充放电装置对比，后级拟采用交错并联结构使降低电压电流纹 波，提高充放电的电能质量，同时通过结果模型预测控制与扰动观测器的算法， 大大加强了改装置的可靠性、安全性及抗干扰能力。
本发明主电路(见新能源汽车双向充放电装置图)采用三相全桥双向AC/DC 变换器拓扑结构作为第一级功率变换电路，实现交流电网与直流母线直接的能 量变换，简称为“AC/DC变换器”，通过控制功率开关的开通与关断的角度和 时间不同，可实现交直流四象限可控变流，通过直流母线电压外环来控制功率 内环，避免传统变换器电流畸变、功率因数低以及直流侧电压波动大等问题； 采用三相交错并联双向DC/DC变换器作为第二级功率变换电路，实现直流母线 与动力电池组之间的能量变换，简称为“DC/DC变换器”，可大大减小输入侧 的电流纹波，从而减小滤波器的体积及对磁性材料的要求，同时减小了每个开关器件流过的电流大小，也降低了对器件的损耗，提高整个系统的功率密度和 动态响应能力。此外，交错并联拓扑可提高电压增益，使输出电压范围更宽， 并且能均分功率损耗，提高系统的变换效率及运行可靠性。
本发明的直流母线电压主要依靠电容电压支撑，所以电容电压的质量直接 关系到逆变器输出交流电压的质量，电容的选择主要是从耐压与容值两方面考 虑，综合权衡电容对系统纹波、抗干扰能力、成本损耗以及动态响应性能的影 响，选取参数最为合适的电容器件；交流侧的电感在工作时主要起到滤掉电路 中电流谐波的作用，直流侧电感在工作中主要起到储能作用，电感的性能直接 影响着输出电压、电流的质量，设计时根据主要从工作时的电流值与电感量两 方面考虑。功率驱动电路设计，项目的功率电路采用Infineon公司提供的IGBT 模块系列产品，具有功率密度高、稳定可靠的优点。驱动采用光耦隔离ACPL332 和MOSFET设计驱动电路，结构紧凑，具备短路、过压、过流、欠压、温度等 保护功能，可以满足安全运行和故障保护的要求。电压/电流采样电路，采用 LEM公司的高精度霍尔隔离电压、电流传感器，采用精度高，检测范围大， 采用非接触式测量，实现强弱电的隔离，具有很强的抗干扰性，同时具备低功 耗、低温漂等特点。调理电路采用TI公司提供的隔离差动放大器AMC1304设 计，具有低噪声、超低非线性、误差小的良好性能。(具体器件选型见新能源 汽车双向充放电装置主要器件选型表)
本发明系统硬件主要由双向AC/DC变换器、双向DC/DC变换器、控制芯 片、采样电路、驱动电路、通讯电路、保护电路等组成(见新能源汽车双向充 放电装置硬件图)。采样电路通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集 交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流，经过调理电路后转换成0-3.3V电压信 号，送入DSP+FPGA控制器中进行A/D转换并滤波，然后根据所研究的控制 算法得到相应的PWM控制信号，由光耦隔离驱动电路转换成0-15V控制信 号驱动IGBT功率管的开通与关断。温度采样电路将采样的功率管温度送至控制 器中判断，温度超过设定阀值时开启过温保护功能。通讯电路通过通讯协议连 接能量管理与监控系统，实时传输系统各项运行数据。保护电路还具有过压、 过流瞬时关断功能，硬件电路微秒级切断PWM控制信号的输出，保障系统安 全可靠运行。其中控制芯片系统以DSP28377+FPGA为核心，CPLD辅助处理，DSP负责处理、PWM、数学运算等功能，FPGA处理AD采样及DA处理输出， CPLD协助进行外围数字量处理，脉冲封锁等辅助功能，电源部分采用金升阳开 关电源提供所需的直流电源(见DSP、FPGA、CPLD三核控制器系统框图)。
附图说明
图1是本发明实施例提供的新能源汽车双向充放电装置图。
图2是本发明实施例提供的新能源汽车双向充放电装置硬件图。
图3是本发明实施例提供的DSP、FPGA、CPLD三核控制器系统框图。
图4是本发明实施例提供的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充 放电控制方法。
图5是本发明实施例提供的电压空间矢量图。
图6是本发明实施例提供的电压空间矢量合成示意图。
图7是本发明实施例提供的载波移相调制示意图。
图8是本发明实施例提供的正向整流控制算法结构图。
图9是本发明实施例提供的反向逆变控制算法结构图。
图10是本发明实施例提供的整流运行AC/DC效果图。
图11是本发明实施例提供的整流运行DC/DC效果图。
图12是本发明实施例提供的逆变运行DC/AC效果图。
图13是本发明实施例提供的逆变运行DC/DC效果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于强鲁棒预测控制算法的 新能源汽车双向充放电装置，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的基于强鲁棒预测控制算法的新能源 汽车双向充放电装置包括：
双主电路拓扑、采样电路、调理电路、控制芯片、光耦隔离驱动电路、温 度采样电路、通讯电路、保护电路；
所述双主电路拓扑包括：三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构与三相交错 并联双向DC/DC变换器拓扑结构；用于进行功率功率变换；
采样电路，用于通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集交流侧、 直流侧、电池侧的电压和电流；
调理电路，用于将采样电路采集的交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流 转换成0-3.3V电压信号；
控制芯片，用于对转换得到的电压信号进行A/D转换并滤波，并根据相应 的控制算法得到相应的PWM控制信号；同时用于判断温度采集电路采集的温 度是否超过预设阈值，并基于判断结果生成对应的控制指令；
光耦隔离驱动电路，用于将所述PWM控制信号转换成用于驱动IGBT功 率管的开通与关断的0-15V控制信号；
温度采样电路，用于进行功率管温度的采样；
通讯电路，用于通过通讯协议连接能量管理与监控系统，实时传输系统各 项运行数据；
保护电路，用于当出现过压、过流时进行瞬时关断，同时微秒级切断PWM 控制信号的输出。
本发明实施例提供的双主电路拓扑包括：
三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构，用于流电网与直流母线直接的能量 变换；
三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构，用于进行直流母线与动力电池 组之间的能量变换。
如图3所示，本发明实施例提供的控制芯片以DSP28377+FPGA为核心， CPLD辅助处理。
本发明实施例提供的控制芯片包括：
DSP，用于处理、PWM、数学运算；
FPGA，用于处理AD采样及DA处理输出；
CPLD，用于进行外围数字量处理，脉冲封锁；
电源为金升阳开关电源提供的直流电源。
本发明实施例提供的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装 置控制方法包括：
采用模型预测与扰动观测器结合，利用扩张状态观测器将模型简化，并实 时观测简化后模型的及总扰动，通过代价函数计算无差拍控制的最优解，于整 流运行时，进行中间直流母线电压与蓄电池在负载扰动下的电压控制；于逆变 运行时，进行中间直流母线电压与逆变侧有功功率及无功功率的控制。
如图4所示，本发明实施例提供的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车 双向充放电装置控制方法包括以下步骤：
S101，进行前级功率预测控制：于正向整流时，结合扩张状态观测器观测 功率扰动及线路中参数扰动，得到所需的电压矢量，并通过SVPWM调制得到 调制效果；
S102，进行后级电压电流双环预测控制：于逆变运行时，结合扩张状态观 测器观测负载扰动及线路的参数扰动，通过CPS-PWM减小低压侧的纹波。
本发明实施例提供的进行前级功率预测控制包括：
以中间电容为连接点，母线电压外环利用扩张状态观测器观测得到因连接 两级产生的扰动与其他扰动的集总，将模型简化模型成积分串联型，再通过模 型预测得到将下一时刻的电压值，设计代价函数为误差值的范数，通过代价函 数求导，得到极小值点即无差拍控制策略；
内环采用无差拍预测功率控制策略得到最优的控制矢量，将其输出至SVPWM，得到最终的开关信号；在DC-DC侧，将扩张状态观测器与模型预测 进行结合，采用外环输出电压控制与内环电感电流控制的方式得到最优占空比； 将占空比输出到CPS-PWM，得到开关信号。
本发明实施例提供的电压外环模型预测控制的代价函数为：
其中，udc表示直流母线电压；
表示母线电压给定值，当
时，g1＝0 最小，此时得到的k+1时刻的母线电压为
给定功率大小为：
本发明实施例提供的扩张状态观测器如下：
其中，z＝(z1 z2)T表示状态变量x＝(x1 x2)T的观测值，L＝[β1 β2]T表示增益矩阵。
本发明实施例提供的进行后级电压电流双环预测控制包括：
将各个环节的模型简化成积分串联型，并通过扩张状态观测器观测得到集 总扰动，将观测的扰动对无差拍预测控制进行补偿。
本发明实施例提供的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装 置控制方法还包括：
采用矢量控制方案，将abc坐标系下的标量装换为αβ坐标系下的矢量。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1：
本发明主电路(见新能源汽车双向充放电装置图1)采用三相全桥双向 AC/DC变换器拓扑结构作为第一级功率变换电路，实现交流电网与直流母线直 接的能量变换，简称为“AC/DC变换器”，通过控制功率开关的开通与关断的 角度和时间不同，可实现交直流四象限可控变流，通过直流母线电压外环来控 制功率内环，避免传统变换器电流畸变、功率因数低以及直流侧电压波动大等 问题；采用三相交错并联双向DC/DC变换器作为第二级功率变换电路，实现直 流母线与动力电池组之间的能量变换，简称为“DC/DC变换器”，可大大减小 输入侧的电流纹波，从而减小滤波器的体积及对磁性材料的要求，同时减小了 每个开关器件流过的电流大小，也降低了对器件的损耗，提高整个系统的功率 密度和动态响应能力。此外，交错并联拓扑可提高电压增益，使输出电压范围 更宽，并且能均分功率损耗，提高系统的变换效率及运行可靠性。
本发明的直流母线电压主要依靠电容电压支撑，所以电容电压的质量直接 关系到逆变器输出交流电压的质量，电容的选择主要是从耐压与容值两方面考 虑，综合权衡电容对系统纹波、抗干扰能力、成本损耗以及动态响应性能的影 响，选取参数最为合适的电容器件；交流侧的电感在工作时主要起到滤掉电路 中电流谐波的作用，直流侧电感在工作中主要起到储能作用，电感的性能直接 影响着输出电压、电流的质量，设计时根据主要从工作时的电流值与电感量两 方面考虑。功率驱动电路设计，项目的功率电路采用Infineon公司提供的IGBT 模块系列产品，具有功率密度高、稳定可靠的优点。驱动采用光耦隔离ACPL332 和MOSFET设计驱动电路，结构紧凑，具备短路、过压、过流、欠压、温度等 保护功能，可以满足安全运行和故障保护的要求。电压/电流采样电路，采用 LEM公司的高精度霍尔隔离电压、电流传感器，采用精度高，检测范围大， 采用非接触式测量，实现强弱电的隔离，具有很强的抗干扰性，同时具备低功 耗、低温漂等特点。调理电路采用TI公司提供的隔离差动放大器AMC1304设 计，具有低噪声、超低非线性、误差小的良好性能。(具体器件选型见新能源 汽车双向充放电装置主要器件选型表)
本发明系统硬件主要由双向AC/DC变换器、双向DC/DC变换器、控制芯 片、采样电路、驱动电路、通讯电路、保护电路等组成(见新能源汽车双向充 放电装置硬件图2)。采样电路通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集 交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流，经过调理电路后转换成0-3.3V电压信 号，送入DSP+FPGA控制器中进行A/D转换并滤波，然后根据所研究的控制 算法得到相应的PWM控制信号，由光耦隔离驱动电路转换成0-15V控制信 号驱动IGBT功率管的开通与关断。温度采样电路将采样的功率管温度送至控制 器中判断，温度超过设定阀值时开启过温保护功能。通讯电路通过通讯协议连 接能量管理与监控系统，实时传输系统各项运行数据。保护电路还具有过压、 过流瞬时关断功能，硬件电路微秒级切断PWM控制信号的输出，保障系统安 全可靠运行。其中控制芯片系统以DSP28377+FPGA为核心，CPLD辅助处理， DSP负责处理、PWM、数学运算等功能，FPGA处理AD采样及DA处理输出， CPLD协助进行外围数字量处理，脉冲封锁等辅助功能，电源部分采用金升阳开 关电源提供所需的直流电源(见DSP、FPGA、CPLD三核控制器系统框图3)。
调制技术：
本发明前级双向三相AC/DC变换器无论在整流运行还是逆变运行阶段，三 相直接的参数均有耦合，本发明采用经典的矢量控制方案，将abc坐标系下的标 量装换为αβ坐标系下的矢量，这样就可以根据瞬时功率的公式得出整流器的有 功功率与无功功率，再根据给定的功率值得出需要的开关电压矢量。最后，为 了使输出谐波更小，提高电压利用率，结合矢量控制采用了两电平空间矢量调 制(SVPWM)(见电压空间矢量图5及电压空间矢量合成示意图6)。SVPWM 控制策略是依据变流器空间电压(电流)矢量切换来控制变流器的种新颖思路 和控制策略，其主要思想在于抛弃原有的正弦脉宽调制SPWM算法，采用坐 标变换空间电压矢量的切换以获得准圆形旋转磁场，从而在不高的开关频率条 件下，获得较SPWM算法更好的控制性能。后级的交错并联DC/DC变换器在 通过模型预测得出三相的占空比后，采用载波移相脉冲宽度调制(CPS-PWM) (见载波移相调制示意图7)。CPS-PWM调制法是一种特别适合于并联型变换 器的调制方法，其基本原理是，对于由n个单元组成的单相DC/DC变换器，每 个单元都采用相同的开关频率的PWM调制方法，用n组三角载波分别进行调制， 各三角载波具有相同的频率和幅值。但相位依次相差固定的角度，从而使每个 单元输出的PWM脉冲也错开一定的角度，大大增加了等效开关频率，经过叠加 后，逆变器最终输出的波形是一个多电平的阶梯波，通过选择合适的移相角度 可以使输出电压的谐波含量大幅度减少。
强鲁棒预测控制算法：
本发明控制策略采用模型预测与扰动观测器结合，针对当前主流控制方法 所存在的缺陷，利用扩张状态观测器将模型简化，并实时观测简化后模型的及 总扰动，将系统离散化数学模型考虑到控制器的设计当中，通过代价函数求得 无差拍控制的最优解。在系统整流运行时，控制目标为中间直流母线电压与蓄 电池在负载扰动下的电压；在逆变运行时，控制目标为中间直流母线电压与逆 变侧有功功率及无功功率。
整流运行算法(见正向整流控制算法结构图8)
双向AC/DC变换器系统在正向状态时，电网三相交流电经过前级AC/DC 整流器可控整流变换后得到直流母线电压，在经过后级交错并联DC/DC变换器 变压(通常是降压)给蓄电池组充电。将AC/DC整流器、DC/DC变换器、蓄电 池组等系统模型直接考虑到控制算法的设计当中,整个系统以中间电容为连接 点，母线电压外环利用扩张状态观测器观测出因为连接两级产生的扰动与其他 扰动的集总，参考自抗扰控制(ADRC)的思想，将模型简化模型成积分串联型， 再通过模型预测将下一时刻的电压值预测出来，设计代价函数为误差值的范数， 通过代价函数求导，得出极小值点，其实质为无差拍控制策略。内环采用无差 拍预测功率控制策略得出最优的控制矢量，将其输出到SVPWM，得出最终的开 关信号。在DC-DC侧，以同样的方式将扩张状态观测器与模型预测结合起来， 采用外环输出电压控制与内环电感电流控制的方式得出最优占空比。最后将占 空比输出到CPS-PWM，得出开关信号。输出侧由于交错并联的拓扑结构与移相 调制的优势，可以大幅减小输出侧的电压电流纹波，而无差拍预测控制与扩张 状态观测器的结合可以使整个系统快速精确的跟踪给定信号，并具备较强的抗 扰能力。
电压外环预测控制器设计：
整流运行时，根据前后级的功率守恒原理可得：
其中Pac、Pdc、P0分别为交流侧功率，直流母线功率及直流低压侧功率，udc为直流母 线电压。
LESO设计：由于功率给定的计算式中存在k时刻的母线电压变化的集总 扰动，需要设计相应的扩张状态观测器(LESO)观测
设置外环的的状态变量为
根据系统模型可得：
设计LESO为：
其中z＝(z1 z2)T为状态变量x＝(x1 x2)T的观测值，L＝[β1 β2]T为增益矩阵。
满足λ(s)＝|sI-[A-LC]|＝s2+β1s+β2＝(s+ω0)2时，系统稳定，求出增益系数与带宽有 关，β1＝2ωo,β2＝ωo 2。此时观测值
则只需要迭代得出z2带入到外环预测控制器中就可以得到给定功率。将观测器函数离散计算可得z2：
功率内环预测控制器设计：
通过3/2坐标变换得到两相静止坐标系下的电网电压、电网电流以及电网电 压延时信号，具体计算公式为：
根据整流器两相静止坐标系下的功率模型，可得：
设计功率内环模型预测控制的代价函数为：
通过求解代价函数最小值点，求得开关管的电压矢量为：
其中
其中入内环集总扰动量fp与fq由功率内环LESO进 行观测，具体观测方式与电压外环类似，在有功功率LESO设计中，设置的状 态变量为
在无功功率LESO设计中，设置的状态变量为
三相交错Buck电压外环设计：
根据电路模型以及基尔霍夫电流定律可得出
其中uo、io及Ro分别为输出的电压、电流及电阻。将电压模型进行简化并引入外环电压集总 扰动量
简化后的功率模型：
其中
为电流内环输出 电流给定，
由LESO观测，具体实现方法与前文类似，设计代价函数为： 
其中
为负载电压给定值。
通过求解代价函数最小值点，可得
三相交错Buck电流内环设计：
为了使三相电流均流，设置给定电流
根据基尔霍夫电压定律可 得
其中dn代表各相开关的占空比，r代表直流侧的线 路阻抗。将电流模型进行简化并引入线路扰动变化带来的集总扰动量
简化后 的功率模型：
其中
表示各相开关占空比给定，
由LESO 观测，具体实现方法与前文类似，设计代价函数为：
通过求解代价函数最小值点，可得
逆变运行算法：(见反向逆变控制算法结构图9)
双向AC/DC变换器系统工作在反向状态时，电动汽车蓄电池组的直流电通 过后级交错并联DC/DC变换器变压(通常是升压)后，再经过前级DC/AC逆 变器进行逆变，转换为符合并网要求的交流电输入到电网。当该系统运行在逆 变模式时，后级电路作为一个升压电路，将电压较低的蓄电池电压通过升压电 路将能量传到直流母线后再进行并网。整体控制思路与整流侧相同，将各个环 节的模型简化成积分串联型，并通过扩张状态观测器将集总扰动观测出来，将 观测的扰动对无差拍预测控制进行补偿，最终达到既快速又精确的控制效果。
三相交错Boost电压外环设计：
通过功率守恒可得:
其中uin及iin代表电动汽车动力电池的输入域电压及输入电流。将功率模型进行简化并引入前后级功率变化带来的母 线电压变化的集总扰动
简化后的功率模型：
其中 
表示每相电感电流的给定值。
由LESO观测，具体实现方法与前文 类似，设计代价函数为：
通过求解代价函数最小值点，可得
三相交错Boost电流内环设计：
根据基尔霍夫电压定律及系统模型：
将电流模型进行简化并引入线路扰动变化带来的集总扰动量
简化后的功率模型：
通过求解代价函数最小值点，可得
逆变器功率环设计：
根据逆变器两相静止坐标系下的功率模型，可得:
设计功率内环模型预测控制的代价函数为：
通过求解代价函数最小值点，求得开关管的电压矢量为：
其中
本发明的有效性本方法提出的有效性可以通过仿真结果得出，整流运行有 效性见整流运行AC/DC效果图10以及整流运行DC/DC效果图11，逆变运行有 效性见逆变运行DC/DC效果图13以及逆变运行DC/AC效果图12。
表1新能源汽车双向充放电装置主要器件选型表
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合 来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中， 由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普 通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在 处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸 如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载 体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路 或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、 可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的 处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置，其特征在于，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置包括：
双主电路拓扑，包括：三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构与三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构；用于进行功率变换；
采样电路，用于通过霍尔传感器或高精度电阻采样电路分别采集交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流；
调理电路，用于将采样电路采集的交流侧、直流侧、电池侧的电压和电流转换成0-3.3V电压信号；
控制芯片，用于对转换得到的电压信号进行A/D转换并滤波，并根据相应的控制算法得到相应的PWM控制信号；同时用于判断温度采集电路采集的温度是否超过预设阈值，并基于判断结果生成对应的控制指令；
光耦隔离驱动电路，用于将所述PWM控制信号转换成用于驱动IGBT功率管的开通与关断的0-15V控制信号；
温度采样电路，用于进行功率管温度的采样；
通讯电路，用于通过通讯协议连接能量管理与监控系统，实时传输系统各项运行数据；
保护电路，用于当出现过压、过流时进行瞬时关断，同时微秒级切断PWM控制信号的输出。
2.如权利要求1所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置，其特征在于，所述双主电路拓扑还包括：
三相全桥双向AC/DC变换器拓扑结构，用于流电网与直流母线直接的能量变换；
三相交错并联双向DC/DC变换器拓扑结构，用于进行直流母线与动力电池组之间的能量变换。
3.如权利要求1所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置，其特征在于，所述控制芯片以DSP28377+FPGA为核心，CPLD辅助处理；
所述控制芯片包括：
DSP，用于处理、PWM、数学运算；
FPGA，用于处理AD采样及DA处理输出；
CPLD，用于进行外围数字量处理，脉冲封锁；
电源为金升阳开关电源提供的直流电源。
4.一种如权利要求1-3任意一项所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置的基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法包括：
采用模型预测与扰动观测器结合，利用扩张状态观测器将模型简化，并实时观测简化后模型的及总扰动，通过代价函数计算无差拍控制的最优解，于整流运行时，进行中间直流母线电压与蓄电池在负载扰动下的电压控制；于逆变运行时，进行中间直流母线电压与逆变侧有功功率及无功功率的控制。
5.如权利要求4所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法包括以下步骤：
步骤一，进行前级功率预测控制：于正向整流时，结合扩张状态观测器观测功率扰动及线路中参数扰动，得到所需的电压矢量，并通过SVPWM调制得到调制效果；
步骤二，进行后级电压电流双环预测控制：于逆变运行时，结合扩张状态观测器观测负载扰动及线路的参数扰动，通过CPS-PWM减小低压侧的纹波。
6.如权利要求5所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，步骤一中，所述进行前级功率预测控制包括：
以中间电容为连接点，母线电压外环利用扩张状态观测器观测得到因连接两级产生的扰动与其他扰动的集总，将模型简化模型成积分串联型，再通过模型预测得到将下一时刻的电压值，设计代价函数为误差值的范数，通过代价函数求导，得到极小值点即无差拍控制策略；
内环采用无差拍预测功率控制策略得到最优的控制矢量，将其输出至SVPWM，得到最终的开关信号；在DC-DC侧，将扩张状态观测器与模型预测进行结合，采用外环输出电压控制与内环电感电流控制的方式得到最优占空比；将占空比输出到CPS-PWM，得到开关信号。
7.如权利要求6所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，所述电压外环模型预测控制的代价函数为：
其中，udc表示直流母线电压；
表示母线电压给定值，当
时，g1＝0最小，此时得到的k+1时刻的母线电压为
给定功率大小为：
8.如权利要求6所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，所述扩张状态观测器如下：
其中，z＝(z1 z2)T表示状态变量x＝(x1 x2)T的观测值，L＝[β1 β2]T表示增益矩阵。
9.如权利要求5所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法，其特征在于，步骤二中，所述进行后级电压电流双环预测控制包括：
将各个环节的模型简化成积分串联型，并通过扩张状态观测器观测得到集总扰动，将观测的扰动对无差拍预测控制进行补偿；
所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法还包括：
采用矢量控制方案，将abc坐标系下的标量装换为αβ坐标系下的矢量。
10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行权利要求4～9任意一项所述基于强鲁棒预测控制算法的新能源汽车双向充放电装置控制方法。
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