CN114362529A - 用于直流微电网储能双向dc/dc变换器的控制方法 - Google Patents

Abstract

用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法，具体为：首先，根据模型预测的思想引入到储能双向DC/DC变换器的控制中，通过分析储能变换器在不同工作状态下的等效电路模型，建立预测模型，基于寻找变换器最优工作状态的目的建立寻优函数，引入反馈矫正环节，形成闭环有限控制集模型预测控制。减小甚至消除负载阶跃给母线电压带来的冲击，储能变换器电感电流可以快速的跟踪参考值，提高储能装置响应微电网能量需求的速度，在光伏扰动时亦可保证母线电压的稳定。

Description

用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法

技术领域

本发明属于直流微电网储能双向DC/DC变换器控制技术领域，具体涉及用于双向储能DC/DC变换器的控制方法。

背景技术

从直流微电网的角度出发，其内部的可再生能源系统具有不确定性和随机性，当外部环境因素发生改变时，对应的输出能量亦随之改变，进而威胁到直流微电网内部功率平衡，因此直流微电网需要储能装置平抑其功率波动，为其安全可靠运行提供保障。储能装置控制策略的性能优劣直接影响到了直流微电网的运行特性，这使得储能装置控制策略成为当前研究的重点与热点之一。

目前直流微电网内储能装置控制策略的研究主要集中在比例积分(ProportionalIntegral,PI)控制的基础之上。首先提出一种储能系统自动充放电改进控制策略，储能装置根据直流母线电压信号自动充放电。其次提出基于电压下垂法的直流微电网混合储能系统控制策略，自动协调蓄电池和超级电容出力。又提出带超级电容的光伏微电网系统混合储能控制策略，通过控制蓄电池响应低频功率，超级电容响应高频功率，抑制负载阶跃对直流母线造成的冲击。后将分段比例积分(PI)调节和滑模控制融合，形成储能双向DC/DC变换器智能控制策略，实现并联双向变换器的均流控制、能量快速传递控制和超级电容储能装置电压的稳定控制。有学者提出一种直流微电网中双向储能变换器的2次纹波电流抑制与不均衡控制策略，通过带通滤波器(BandPass Filter，BPF)在2倍基频处引入虚拟阻抗，以改善对2次纹波电流的不均衡控制。基于PI控制的储能变换器控制策略在直流微电网协调控制中有着积极的作用，但PI控制天然存在着些许不足：动态调节时间较长，鲁棒性较差，控制器参数设计困难，现场大功率调试存风险等。

模型预测控制(Model Predictive Control，MPC)是一种非线性最优控制方法，具有控制效果好，鲁棒性强的特点。近年来MPC方法在电力电子变换器控制领域获得广泛应用。现在研究提出一种基于有限控制集模型预测的分布式最大功率跟踪算法，以实现级联光伏发电系统的能量最大化利用。再将基于有限控制集模型预测的最大功率跟踪算法应用于光伏Z源并网逆变器的控制，减小网侧电流谐波和环境因素引起的最大功率点附近的振荡。后提出一种鲁棒性有限控制集模型预测控制策略，将其用于具有故障穿越能力的光伏逆变器控制。再将有限控制集模型预测用在与交流电网连接的多端高压直流网络的控制，相比PI控制可提高调频能力，减小直流网络功率损耗。有学者，通过分析储能变换器的不同工作状态，建立预测控制模型，经滚动优化函数确定变换器的最优工作状态。

文献调研表明，以PI控制为基础的储能变换器控制策略是当前研究重点，储能变换器有限控制集模型预测控制研究尚未展开。将有限控制集模型预测控制的思想引入储能双向DC/DC变换器控制领域，可以提高储能变换器控制鲁棒性，获得更好控制效果，加快储能装置响应微电网功率需求的能力，提升直流微电网运行性能。因此，在储能变换器控制中引入有限控制集模型预测思想将具有一定研究价值。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供用于微电网储能变换器的有限控制集模型预测控制方法，基于有限控制集模型预测的思想优化结构以及其寻优函数，以此加强储能双向DC/DC变换器控制鲁棒性，加强控制效果，加快响应功率调节的能力。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案，用于微电网储能变换器的有限控制集模型预测控制方法，包括以下步骤：

步骤1，分析储能双向DC/DC变换器充电/放电工作状态下对应的等效电路模型，计算出各种模态下的状态方程；

步骤2，根据储能双向DC/DC变换器充电/放电工作状态下的等效电路模型建立预测模型和寻优函数，并进行优化。

所述的步骤1，具体做法是：

步骤1.1，以储能装置工作在放电模式为例，变换器处于boost模式，单一开关管处于开通状态，根据其等效电路模型列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程，如式(1)所示；

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为变换器储能侧电感电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

分别为变换器储能侧电感电流与变换器母线侧端口电压对时间求微分；

步骤1.2，求得放电模式下相同开关管开通对应的变换器储能侧电感电流与变换器母线侧端口电压的增量方程，如式(2)所示：

式中Δi_Lb为变换器储能侧电感电流增量，Δu_dc为变换器母线侧端口电压增量，L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

步骤1.3，当开关管S₂处于关断状态，根据等效电路模型列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程：

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为直流母线端电容电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，u_dc(t)为t时刻变换器母线侧端口电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值，i_Lb(t)为t时刻变换器储能端端电感电流测量值；

步骤1.4，放电模式下开关管S₂关断对应的变换器电感电流与变换器端口电压(直流母线电压)的增量方程为：

式(4)中，Δi_Lb与Δu_dc分别为变换器电感电流增量与变换器端口电压增量，Δt为系统控制周期Ts，u_bat(t)与u_dc(t)分别为蓄电池电压与变换器端口电压在t时刻的测量值，i_Lb(t)与i_b(t)分别为变换器电感电流与变换器输出电流在t时刻的测量值。

所述步骤2，具体做法为：

步骤2.1，根据式(4)增量矩阵求出所需的电压与电流预测模型：

式中，i_Lbm(t+1|t)与u_dcm(t+1|t)分别为在t时刻基础上预测出的t+1时刻变换器电感电流值与变换器端口电压值；

步骤2.2，将预测值与实际测量值相比较，形成闭环，得到电流与电压的控制误差，电流与电压控制误差分别与所对应的反馈校正系数σ_i与σ_u相乘，得到电流与电压反馈校正项e_i与e_u，

式中e_i为电流反馈校正项，e_u为电压反馈校正项，σ_i为电流误差反馈校正系数，σ_u为电压误差反馈校正系数i_Lb(t|t-1)与u_dc(t|t-1)分别为在t-1时刻基础上预测得到的t时刻变换器电感电流值与直流母线测端口电压；

步骤2.3，形成反馈矫正后的闭环预测模型

i_Lbm(t+1|t)与u_dcm(t+1|t)分别为在t时刻基础上预测出的t+1时刻变换器的电感电流值与直流母线侧端口电压值；

步骤2.4，根据步骤2.3的闭环预测模型，形成寻优函数g。

所述步骤2.4中，寻优函数g建立中引入二拍预测值即在t时刻预测t+2时刻所需参数值，其表达式如式(8)所示：

式(8)中，i_Lbref和u_dcref分别为变换器电感电流与变换器端口电压的参考值，式中λ_i、λ_u分别为电流项与电压项的权重系数，μ_i、μ_u为两拍预测电流项、电压项权重系数，i_Lb(t+2)与u_dc(t+2)分别为在t时刻基础上预测出的t+2时刻变换器的电感电流值与直流母线侧端口电压值。

本发明的有益效果是：

相比传统控制策略，本发明方法通过对系统未来有限时间域内的状态进行预判进而确定当前控制动作的控制方式，是一种非线性的最优化控制方法，具有控制效果好、鲁棒性强的特点。储能装置平抑了微电网功率波动，为其安全可靠运行提供保障，大大提高了微电网的运行特性。

附图说明

图1是本发明一种应用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法的控制框图。

图2是本发明在直流母线电压额定值为110V时各单元功率预设功率图。

图3是本发明方法中与恒压控制时直流母线电压仿真对比波形图。

图4是本发明方法与恒压控制时的变换器电感电流波形的仿真对比。

图5是本发明的流程图。

图6为本发明储能双向DC/DC变换器变换器电路拓扑图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种应用于微电网储能变换器的有限控制集模型预测控制系统，如图1所示，包括双向DC/DC变换器、模型预测、寻优求解、反馈矫正四部分，其中，将带有电压补偿的模型预测在寻优求解之前引入电压补偿环节，形成闭环模型预测改善了开环模型预测的控制特性，但电压补偿环节仍以恒压控制器为基础，遗留了恒压控制在实际应用中存在的不足之处。模型预测的基础上引入反馈矫正环节，替代传统中的电压补偿环节，得到一种带有反馈矫正的闭环模型预测控制方法。

图1中i_Lbm(t|t-1)与u_dcm(t|t-1)分别为t-1时刻预测得到的t时刻变换器电感电流值与变换器端口电压值，将预测值与实际测量值相比较，形成闭环，根据式(6)得到电流与电压的控制误差，得到电流与电压反馈矫正项，根据式(7)设计闭环预测模型，最后根据式(8)设计优化函数使得变换器电感电流与端口电压快速准确地跟踪参考，达到模型预测的最优控制。

图6所示为受控变换器具体电路拓扑结构，在模型预测控制得到的最优控制信号下与储能装置联系，根据需求工作在相应的充电/放电工作状态。

并在图2条件下进行仿真验证，初始时刻负载功率P_load＝150W，储能单元工作在充电模式，充电功率P_bat＝50W；0.5s时负载功率变为270W，储能单元转换到放电模式，放电功率为70W；1.0s时负载功率变为400W，此时储能单元放电功率为200W。

仿真结果如图3、图4所示，图3为MPC与PI控制时，直流母线电压仿真对比波形。由图可知两种控制策略均能保证直流母线电压维持在110V左右，在0.5s和1.0s负载阶跃时，MPC控制下的电压跌落小于PI控制下的电压跌落，同时PI控制时直流母线电压存在0.05s的调节时间，MPC可迅速使母线电压恢复到额定值，调节时间短。

图4为MPC与PI控制时变换器电感电流波形仿真对比，两种控制方式下电感电流均可保证电感电流的跟踪，但在负载阶跃时，PI控制下的电感电流需要较长时间跟踪给定，MPC反应更加快速，而且跟踪效果好于PI控制。

根据图3、图4仿真结果可知此MPC提高了变换器控制鲁棒性，加快了储能装置响应微电网功率能力，提升了直流微电网运行策略。

具体实施参见图5，本发明一种应用于微电网储能变换器的模型预测控制方法，具体按照以下步骤进行：

步骤1，分析储能变换器充电/放电(buck/boost)不同工作状态下对应的等效电路，计算出各种模态下的状态方程，具体为：

步骤1.1，以储能装置工作在放电模式为例，变换器处于boost模式，单一开关管处于开通状态，根据其等效电路列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程，如式(1)所示；

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为变换器储能侧电感电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

步骤1.2，求得放电模式下同开关管开通对应的变换器电感电流与变换器端口电压(直流母线电压)的增量方程如式(2)所示；

式中Δi_Lb为变换器储能侧电感电流增量，Δu_dc为变换器母线侧端口电压增量，L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

步骤1.3，当此开关管处于关断状态，根据等效电路列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程：

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为直流母线端电容电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，u_dc(t)为t时刻变换器母线侧端口电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值，i_Lb(t)为t时刻变换器储能端端电感电流测量值；

步骤1.4，放电模式下开关管S₂此开关管关断对应的变换器电感电流与变换器端口电压(直流母线电压)的增量方程为：

式(4)中，Δi_Lb与Δu_d为变换器电感电流增量与变换器端口电压增量，Δt为系统控制周期Ts，u_b(t)与u_dc(t)分别为蓄电池电压与变换器端口电压在t时刻的测量值，i_Lb(t)与i_b(t)分别为变换器电感电流与变换器输出电流在t时刻的测量值；

步骤2，根据等效电路模型建立预测模型和寻优函数，并对预测模型进行优化，具体为：

步骤2.1，根据式(4)增量矩阵可以求出所需的电压与电流预测模型：

式中i_Lbm(t+1|t)与u_dcm(t+1|t)分别为在t时刻基础上预测出的t+1时刻变换器电感电流值与变换器端口电压值；

步骤2.2，将预测值与实际测量值相比较，形成闭环，得到电流与电压的控制误差。电流与电压控制误差分别与所对应的反馈矫正系数σi与σu相乘，得到电流与电压反馈矫正项ei与eu，

式中e_i为电流反馈校正项，e_u为电压反馈校正项，σ_i为电流误差反馈校正系数，σ_u为电压误差反馈校正系数i_Lb(t|t-1)与u_dc(t|t-1)分别为在t-1时刻基础上预测得到的t时刻变换器电感电流值与直流母线测端口电压；

步骤2.3，形成反馈矫正后的闭环预测模型

步骤2.4，根据步骤2.3的闭环预测模型，形成寻优函数寻优函数g，建立寻优函数g中引入二拍预测值即在t时刻预测t+2时刻所需参数值，其表达式如式(8)所示：

式(8)中，i_Lbref和u_dcref分别为变换器电感电流与变换器端口电压的参考值，式中λ_i、λ_u分别为电流项与电压项的权重系数，μ_i、μ_u为两拍预测电流项、电压项权重系数，i_Lb(t+2)与u_dc(t+2)分别为在t时刻基础上预测出的t+2时刻变换器的电感电流值与直流母线侧端口电压值。

Claims (4)

1.用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，分析储能双向DC/DC变换器充电/放电工作状态下对应的等效电路模型，计算出各种模态下的状态方程；

步骤2，根据储能双向DC/DC变换器充电/放电工作状态下的等效电路模型建立预测模型和寻优函数，并进行优化。

2.根据权利要求1所述的用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述的步骤1，具体做法是：

步骤1.1，以储能装置工作在放电模式为例，变换器处于boost模式，单一开关管处于开通状态，根据其等效电路模型列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程，如式(1)所示；

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为变换器储能侧电感电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

分别为变换器储能侧电感电流与变换器母线侧端口电压对时间求微分；

步骤1.2，求得放电模式下相同开关管开通对应的变换器储能侧电感电流与变换器母线侧端口电压的增量方程，如式(2)所示：

式中Δi_Lb为变换器储能侧电感电流增量，Δu_dc为变换器母线侧端口电压增量，L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，u_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值；

步骤1.3，当开关管S₂处于关断状态，根据等效电路模型列写基尔霍夫电流方程与基尔霍夫电压方程：

式中L为变换器储能侧电感值，C为变换器母线侧电容值，i_Lb为直流母线端电容电流，u_dc为变换器母线侧端口电压，U_bat(t)为t时刻储能装置端电压测量值，u_dc(t)为t时刻变换器母线侧端口电压测量值，i_b(t)为t时刻直流母线端电容电流测量值，i_Lb(t)为t时刻变换器储能端端电感电流测量值；

步骤1.4，放电模式下开关管S₂关断对应的变换器电感电流与变换器端口电压的增量方程为：

式(4)中，Δi_Lb与Δu_dc分别为变换器电感电流增量与变换器端口电压增量，Δt为系统控制周期Ts，u_bat(t)与u_dc(t)分别为蓄电池电压与变换器端口电压在t时刻的测量值，i_Lb(t)与i_o(t)分别为变换器电感电流与变换器输出电流在t时刻的测量值。

3.根据权利要求1所述的用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤2，具体做法为：

步骤2.1，根据式(4)增量矩阵求出所需的电压与电流预测模型：

式中，i_Lbm(t+1|t)与u_dcm(t+1|t)分别为在t时刻基础上预测出的t+1时刻变换器电感电流值与变换器端口电压值；

步骤2.2，将预测值与实际测量值相比较，形成闭环，得到电流与电压的控制误差，电流与电压控制误差分别与所对应的反馈校正系数σ_i与σ_u相乘，得到电流与电压反馈校正项e_i与e_u，

式中e_i为电流反馈校正项，e_u为电压反馈校正项，σ_i为电流误差反馈校正系数，σ_u为电压误差反馈校正系数i_Lb(t|t-1)与u_dc(t|t-1)分别为在t-1时刻基础上预测得到的t时刻变换器电感电流值与直流母线侧端口电压；

步骤2.3，形成反馈矫正后的闭环预测模型

i_Lbm(t+1|t)与u_dcm(t+1|t)分别为在t时刻基础上预测出的t+1时刻变换器的电感电流值与直流母线侧端口电压值；

步骤2.4，根据步骤2.3的闭环预测模型，形成寻优函数g。

4.根据权利要求3所述的用于直流微电网储能双向DC/DC变换器的控制方法，其特征在于，所述步骤2.4中，寻优函数g建立中引入二拍预测值即在t时刻预测t+2时刻所需参数值，其表达式如式(8)所示：

式(8)中，i_Lbref和u_dcref分别为变换器电感电流与变换器端口电压的参考值，式中λ_i、λ_u分别为电流项与电压项的权重系数，μ_i、μ_u为两拍预测电流项、电压项权重系数，i_Lb(t+2)与u_dc(t+2)分别为在t时刻基础上预测出的t+2时刻变换器的电感电流值与直流母线侧端口电压值。

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