CN114282477B - 带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，包括以下步骤：建立带脉冲负载的电池储能系统的电路结构，电路结构包括电池储能系统、DC/DC变换器以及脉冲负载；使用一阶戴维宁等效电路模拟电池储能系统内部的欧姆内阻和极化内阻；设立DC/DC变换器的开关函数u₁以及脉冲负载开关函数u_PL，建立三阶双线性精确开关模型；保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理，以此来获得源载耦合准精确模型。本发明既简化了超高频分量带来的复杂性，又能有效地分析脉冲负载对带脉冲负载的电池储能系统的脉冲动态趋势影响和变化规律。

Description

带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法

技术领域

本发明涉及电能存储系统领域，尤其涉及一种带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法。

背景技术

随着雷达、电磁弹射、电磁炮等高功率脉冲武器系统在国防军事中的广泛应用，为这类脉冲负载提供特性匹配的电能，越来越受到研究者的关注。考虑该类武器系统的静默需求和闲时耗能特性，目前最常采用的供电方公式就是电池储能系统ESS，研究带脉冲负载的电池储能系统（CA-PL：Cell Array with Pulsed Load），要对脉冲负载的脉冲特性及其对供电源端的动态影响进行理论分析。

雷达等高脉冲负载供电电压较高（600V~700V），电池储能系统ESS输出电压往往需要经过DC/DC变换器进行升压，才能给脉冲负载供电，其供电结构如附图1所示，其中，电池储能系统ESS向负载供电时，DC/DC变换器一般工作在Boost升压模式，带脉冲负载的电池储能系统CA-PL的分析难点在于，一方面脉冲负载的高功率脉冲特性严重影响源端的输出特性，即电源输出电压、电流、输出功率都会随脉冲负载产生周期性脉动，其根本原因在于该系统为紧密的源载耦合特性；另一方面由于DC/DC变换器和脉冲负载中都存在开关器件，使得该电路结构呈现典型非线性。由于系统的复杂性，如何建立一种合理简化又能反映其脉冲动态特性的模型，成为该方向研究的首要问题和重点问题。

发明内容

本发明为了解决以上问题，本发明提供了一种带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，包括以下步骤：

建立带脉冲负载的电池储能系统的电路结构，电路结构包括电池储能系统、DC/DC变换器以及脉冲负载；

使用一阶戴维宁等效电路模拟电池储能系统内部的欧姆内阻和极化内阻；

设立DC/DC变换器的开关函数u₁以及脉冲负载开关函数u_PL，建立三阶双线性精确开关模型；

保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理，以此来获得源载耦合准精确模型。

可选的，所述电池储能系统包括电阻r_s0、电阻r_s1以及电容C_s，所述电阻r_s1为所述电池储能系统的欧姆内阻，所述电阻r_s0为所述电池储能系统的极化内阻，所述电阻r_s0与所述电容C_s并联形成RC回路，其中，所述电池储能系统的开路电压v_oc恒定，为E_s。

可选的，所述DC/DC变换器包括电感L、电容C，以及两个开关S₁、S₂，所述电感L的一端与所述电阻r_s1的一端连接，所述电感L的另一端分别连接所述开关S₁和S₂的一端，所述电容C的两端分别连接所述开关S₁和S₂的另一端，所述开关S₁工作，S₂不工作时，为Boost升压模式，所述电池储能系统向直流微电网负载供电，开关S₁不工作、S₂工作时，为Buck降压模式，由直流微电网为所述电池储能系统充电。

可选的，所述脉冲负载包括电阻R₁、电阻R_PL以及开关S_PL，其中所述电阻R_PL与所述电阻R₁并联且与所述开关S_PL串联，所述电阻R₁为常规负载，电阻R_PL为电阻负载，开关S_PL为周期性通断开关。

可选的，所述开关S₁和所述开关S_PL分别设立开关函数u₁和u_PL，u₁、u_PL∈{0;1}，其中，0代表开关断开，1代表开关闭合，得到开关向量：

选择源端电容C_s电压v_Cs、DC/DC变换器的电感电流i_L和电容电压v_C作为状态变量，其系统状态向量为：

此得到4个拓扑结构对应的状态空间方程如下：

公式中，短时间内开路电压v_oc恒定，令其为E_s，

将公式(1)中的u代入，4个式子统一为：

将公式(2)写成开关模型的双线性通用形公式为：

得到带脉冲负载电池储能系统的精确数学模型为：

其中，状态空间矩阵为：

开关状态矩阵为：

输入状态矩阵为：

。

可选的，所述电池储能系统的输出电压，用状态变量表示如下：

所述电池储能系统的输出功率为：

所述电池储能系统的负载端功率为：

。

可选的，所述保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理包括：将公式(3)中的开关函数u₁用占空比D₁，得到其平均模型为：

写成矩阵方程公式为：

公式(8)即为带脉冲负载的电池储能系统的源载耦合准精确模型。

本发明与现有技术相比，所取得的技术进步在于：

针对带脉冲负载的电池储能系统的特性，及现有建模分析方法所存在的问题，本发明提出了带脉冲负载的电池储能系统的准精确模型。该模型对系统精确模型中的动态超高频部分进行了平均，又保留了中低频部分的脉冲负载脉冲动态特性，既简化了超高频分量带来的复杂性，又能有效地分析脉冲负载对带脉冲负载的电池储能系统的脉冲动态趋势影响和变化规律。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

在附图中：

图1为带脉冲负载的电池储能系统CA-PL供电结构。

图2为本发明带脉冲负载的电池储能系统CA-PL电路结构图。

图3为本发明DC/DC双向变换器Boost模式下脉冲负载的电池储能系统CA-PL的4种配置分别对应开关函数u的二进制组合。

图4为本发明 DC/DC双向变换器Boost模式下带脉冲负载的电池储能系统CA-PL源载耦合准精确等效电路。

图5为本发明精确模型、准精确模型和平均模型的仿真波形。

图6为本发明实施例所述方法的流程图。

具体实施方式

下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。下面将结合附图，对本发明的实施例进行描述。

如图6所示，本发明公开了带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，包括以下步骤：

建立带脉冲负载的电池储能系统的电路结构，电路结构包括电池储能系统、DC/DC变换器以及脉冲负载；

使用一阶戴维宁等效电路模拟电池储能系统内部的欧姆内阻和极化内阻；

设立DC/DC变换器的开关函数u₁以及脉冲负载开关函数u_PL，建立三阶双线性精确开关模型；

保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理，以此来获得源载耦合准精确模型。

下面结合具体内容对上述步骤进行详细的说明：

本发明首先建立带脉冲负载电池储能系统CA-PL的电路结构，如图2所示，为了体现负载侧脉冲特性与源端电池储能系统的源载耦合关系，源端部分采用一阶戴维宁等效电路模拟电池储能系统内部的欧姆内阻和极化内阻。

带脉冲负载的电池储能系统电路结构由3个部分组成：

① 源端：电池储能系统采用戴维宁等效模型，电阻r_s1是电池储能系统的欧姆内阻，电阻r_s0是极化内阻，与电容C_s并联为RC回路，用以模拟电池储能系统的动态特性。其中，假定开路电压v_oc（变化以小时计）恒定，令其为E_s。

② 负载端：脉冲负载由R₁和R_PL并联组成，R₁模拟常规电阻耗能特性，通过周期性通断开关S_PL和电阻负载R_PL串联模拟其脉冲特性。

③ DC/DC变换器：由动态元件电感L、电容C，以及2个开关S₁、S₂组成。由于在直流微网的应用中，电池储能系统有充放电两种工作模式，因此采用双向DC/DC结构：开关S₁工作、S₂不工作（二极管状态）时，为Boost升压模式，电池储能系统向直流微电网负载供电；开关S₁不工作（二极管状态）、S₂工作时，为Buck降压模式，由直流微电网为电池储能系统充电。本发明只研究其Boost升压模式，因此，开关S₂不工作，处于二极管状态。

为S₁和S_PL引入开关函数u₁和u_PL，u₁、u_PL∈{0;1}，其中0代表开关断开，1代表开关闭合；由此，得到开关向量：

不同开关变量状态的电路如图3所示。

由于在源端加入了RC回路，该带脉冲负载的电池储能系统由3个状态变量组成，是一个三阶动态系统，分别选择源端电容C_s电压v_Cs、DC/DC变换器的电感电流i_L和电容电压v_C作为状态变量，其系统状态向量为：

由此得到与图3中4个拓扑结构对应的状态空间方程如下：

公式中，短时间内（小时计）开路电压v_oc恒定，令其为E_s，

将公式(1)中的u代入，4个式子统一为：

将公式(2)写成开关模型的双线性通用形公式为：

得到带脉冲负载电池储能系统的精确数学模型为：

其中，状态空间矩阵为：

开关状态矩阵为：

输入状态矩阵为：

。

带脉冲负载电池储能系统中重要的中间变量，如电池储能系统的输出电压，可用状态变量表示如下：

所述电池储能系统的输出功率为：

所述电池储能系统的负载端功率为：

。

公式(3)中包含2个开关函数u₁、u_PL，分析可知，开关函数u₁频率较高（一般而言，f₁>5000Hz），会导致系统各重要参量叠加高频分量，如电感电流i_L、负载输入电压v_C（电容电压）、电池输出电压v_s，以及电池储能系统输出功率P_CA、负载端功率p_Load，不利于系统动态变化趋势和规律分析，因此本发明将其作平均化处理。而脉冲负载的开关函数u_PL为中低频（10Hz<f_PL<1000Hz），且是系统分析的重点，则不再对其平均化处理，继续保留精确模型部分。

将公式(3)中的开关函数u₁用占空比D₁，得到其平均模型为：

写成矩阵方程公式为：

公式(8)即为带脉冲负载的电池储能系统的源载耦合准精确模型。

基于该数学模型，可以用多个受控源来代替电路中的开关，从而定义带脉冲负载电池储能系统输入和输出之间的源载耦合关系，如图4所示,图中所定义的电路行为类似于由于外部输入来控制变比的理想直流变压器。

基于式(8)源载耦合准精确数学模型，搭建带脉冲负载电池储能系统的MATLAB/Simulink仿真模型,并搭建该系统精确模型和平均模型的MATLAB/Simulink仿真模型，对三者（精确模型、准精确模型和平均模型）进行仿真波形比较，如图5所示,从图5可以看出：

① 当加载常规负载时，准精确模型和平均模型的仿真波形重叠，都能很好地跟随精确模型的变化趋势；

② 而当加载脉冲负载时，平均模型波形与精确模型波形相差很多，误差很大，而准精确模型波形还能很好地跟随精确模型的变化趋势。

三种模型仿真波形比较而言：

① 精确模型能将CA-PL系统中各参量所有的动态变化细节体现出来，但其动态波形中的高频分量过于复杂，不利于分析系统动态变化趋势和总结规律；

② 平均模型对CA-PL系统中所有高频动态变化进行了平均，能体现出系统的变化趋势和规律，但当系统加载脉冲负载时，平均模型同样也将脉冲负载造成的动态变化进行了平均，无法表现出脉冲负载的脉冲特性，不利于分析脉冲负载脉冲特性对系统的影响；

③ 准精确模型综合了前两者的优势，仅对系统动态模型的超高频部分进行了平均，对中低频部分进行了保留，这样既简化了超高频分量带来的复杂性，又能有效地分析脉冲负载对系统的脉冲动态影响和变化规律。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明权利要求保护的范围之内。

Claims (3)

1.带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立带脉冲负载的电池储能系统的电路结构，电路结构包括电池储能系统、DC/DC变换器以及脉冲负载；

使用一阶戴维宁等效电路模拟电池储能系统内部的欧姆内阻和极化内阻；

设立DC/DC变换器的开关函数u₁以及脉冲负载开关函数u_PL，建立三阶双线性精确开关模型；

保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理，以此来获得源载耦合准精确模型；

所述电池储能系统包括电阻r_s0、电阻r_s1以及电容C_s，所述电阻r_s0为所述电池储能系统的欧姆内阻，所述电阻r_s0为所述电池储能系统的极化内阻，所述电阻r_s0与所述电容C_s并联形成RC回路，其中，所述电池储能系统的开路电压v_oc恒定，为E_s；

所述DC/DC变换器包括电感L、电容C，以及两个开关S₁、S₂，所述电感L的一端与所述电阻r_s1的一端连接，所述电感L的另一端分别连接所述开关S₁和S₂的一端，所述电容C的两端分别连接所述开关S₁和S₂的另一端，所述开关S₁工作，S₂不工作时，为Boost升压模式，所述电池储能系统向直流微电网负载供电，开关S₁不工作、S₂工作时，为Buck降压模式，由直流微电网为所述电池储能系统充电；

所述脉冲负载包括电阻R₁、电阻R_PL以及开关S_PL，其中所述电阻R_PL与所述电阻R₁并联且与所述开关S_PL串联，所述电阻R₁为常规负载，电阻R_PL为电阻负载，开关S_PL为周期性通断开关；

所述开关S₁和所述开关S_PL分别设立开关函数u₁和u_PL，u₁、u_PL∈{0；1}，其中，0代表开关断开，1代表开关闭合，得到开关向量：

u＝[u₁ u_PL]^T (1)

选择源端电容C_s电压v_Cs、DC/DC变换器的电感电流i_L和电容电压v_C作为状态变量，其系统状态向量为：

x＝[i_L v_C v_Cs]^T

由此得到4个拓扑结构对应的状态空间方程如下：

u＝[0 0] u＝[0 1]

u＝[1 0] u＝[1 1]

公式中，短时间内开路电压v_oc恒定，令其为E_s，

将公式(1)中的u代入，4个式子统一为：

将公式(2)写成开关模型的双线性通用形公式为：

得到带脉冲负载电池储能系统的精确数学模型为：

其中，状态空间矩阵为：

开关状态矩阵为：

输入状态矩阵为：

2.根据权利要求1所述的带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，其特征在于：所述电池储能系统的输出电压，用状态变量表示如下：

v_s＝E_s-v_Cs-i_Lr_s0 (4)

所述电池储能系统的输出功率为：

p_CA＝v_si_L (5)

所述电池储能系统的负载端功率为：

3.根据权利要求2所述的带脉冲负载的电池储能系统源载耦合准精确模型建模方法，其特征在于：所述保留开关函数u_PL精确开关模型，对开关函数u₁平均化处理包括：将公式(3)中的开关函数u₁用占空比D₁，得到其平均模型为：

写成矩阵方程公式为：

公式(8)即为带脉冲负载的电池储能系统的源载耦合准精确模型。

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