CN114552739A - 一种混合储能系统的智能控制方法及装置 - Google Patents

一种混合储能系统的智能控制方法及装置 Download PDF

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CN114552739A CN202210358940.2A CN202210358940A CN114552739A CN 114552739 A CN114552739 A CN 114552739A CN 202210358940 A CN202210358940 A CN 202210358940A CN 114552739 A CN114552739 A CN 114552739A
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Abstract

本发明公开了一种混合储能系统的智能控制方法及装置，该方法包括：通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号；基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作。该系统包括：构建模块、分析模块和控制模块。本发明基于混合储能系统数学模型通过事件触发原理机制对自抗扰控制模块进行控制，能够在节省控制器计算资源的同时提高了混合储能系统的运行效率。本发明作为一种混合储能系统的智能控制方法及装置，可广泛应用于混合储能系统控制领域。

Description

一种混合储能系统的智能控制方法及装置
技术领域
本发明涉及混合储能系统控制领域，尤其涉及一种混合储能系统的智能控制方法及装置。
背景技术
相比于单一储能系统如电池储能，混合储能系统采用了性能互补的储能系统例如电池-超级电容储能，因此具有充放电稳定、储能效率高以及使用寿命长等优点，在新能源发电、新能源汽车和绿色建筑等领域有着广泛的应用前景；目前混合储能系统底层硬件即电力电子变换器的控制方法，无法同时具备动态性能良好、鲁棒性强和结构简洁的优势。如传统的比例-积分控制易于实施、结构简单，但快速性和鲁棒性较差；模型预测控制动态性能好，但涉及大量矩阵运算，计算量较大；无差拍控制响应速度快，但闭环系统稳定性易受硬件电路变化的影响。而且现有的控制方法主要是工作在时间触发模式，即控制器是定周期触发，在每一个控制循环执行一次控制任务并更新控制信号。由于系统状态误差仍处在可控范围内，特别是系统已经达到稳态时，定周期触发方式会造成实际应用过程中计算资源的浪费，导致控制器的工作效率无法进一步提高。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种混合储能系统的智能控制方法及装置，能够在节省控制器计算资源的同时提高了混合储能系统的运行效率。
本发明所采用的第一技术方案是：一种混合储能系统的智能控制方法，包括以下步骤：
通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到开关信号；
基于开关信号，根据触发条件执行自抗扰控制模块的开关动作。
进一步，所述通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型这一步骤，其具体包括：
所述混合储能系统包括双向DC-DC变换器和直流母线；
通过状态空间平均法分别对双向DC-DC变换器和直流母线进行分析，得到对应的动态平衡方程；
结合双向DC-DC变换器和直流母线的动态平衡方程，构建混合储能系统数学模型。
进一步，所述混合储能系统数学模型表示如下：
Figure BDA0003584139750000021
Figure BDA0003584139750000022
Figure BDA0003584139750000023
上式中，x(t)表示混合储能系统的状态变量，y(t)表示与x(t)相比在同一采样周期下混合储能系统缓慢变化的物理量，dsc表示控制超级电容的双向DC-DC变换器的占空比，C表示直流母线电容，A表示混合储能系统的系统矩阵，B表示混合储能系统的输入矩阵，db表示控制电池的双向DC-DC变换器的占空比，L表示双向DC-DC变换器的电感，
Figure BDA0003584139750000024
表示混合储能系统状态变量的微分。
进一步，所述自抗扰控制模块包括电压环计算模块、低通滤波器和PI计算模块，所述基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析得到开关信号这一步骤，其具体包括：
定义直流母线电压为混合储能系统的输出电压，构建输出方程；
基于非线性扩张状态观测器，通过fal函数对输出方程进行观测，得到观测值；
基于反馈控制律，根据观测值对输出方程进行电压环计算，得到电流参考值；
通过低通滤波器对电流参考值进行分频处理，得到电池的电流参考值和超级电容的电流参考值；
通过电流传感器分别对电池和超级电容进行测量，得到电池的电流测量值和超级电容的电流测量值；
电池的电流测量值和超级电容的电流测量值分别与对应的电池的电流参考值和超级电容的电流参考值进行作差处理，得到电池的电流误差值和超级电容的电流误差值；
对电池的电流误差值和超级电容的电流误差值进行PI计算，得到占空比信号。
进一步，所述输出方程的表达式如下所示：
Figure BDA0003584139750000025
上式中，b0表示可调节的补偿因子，f表示系统的总扰动包括参数的不确定性和未知的外部扰动，u表示电流内环的参考信号，
Figure BDA0003584139750000026
表示系统输出的微分。
进一步，所述fal函数的表达式如下所示：
Figure BDA0003584139750000031
上式中，δ表示由系统采样周期ts决定的正数，e表示观测误差值，α表示fal函数的跟踪参数，sgn(e)表示e的正负值。
进一步，所述基于开关信号，根据触发条件控制混合储能系统中功率开关的开关动作这一步骤，其具体包括：
获取系统误差；
判断到系统误差满足预设的触发条件，控制自抗扰控制模块更新占空比信号，并根据更新后的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关；
判断到系统误差不满足预设的触发条件，此时占空比信号保持上一时刻的占空比信号，并根据上一时刻的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关。
进一步，所述触发条件公式具体表示如下：
Figure BDA0003584139750000032
上式中，err(t)表示系统状态偏离上一目标状态的程度，||err(t)||表示对应误差的模，ti表示上一触发时刻，X(ti)表示上一触发时刻ti系统的状态，
Figure BDA0003584139750000033
表示可调的触发因子，y(ti)表示上一触发时刻ti混合储能系统缓慢变化的物理量的微分。
本发明所采用的第二技术方案是：一种混合储能系统的智能控制装置，包括：
构建模块，用于通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
分析模块，基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号；
控制模块，基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作。
本发明方法及装置的有益效果是：本发明通过状态空间平均法对混合储能系统进行建模，基于混合储能系统数学模型通过事件触发原理机制对自抗扰控制模块进行控制，不仅节省了控制器的计算资源，而且能够减少功率开关器件冗余的开关动作，减小了功率器件开关在开通和关断的损耗，提高了混合储能系统的运行效率。
附图说明
图1是本发明一种混合储能系统的智能控制方法的步骤流程图；
图2是本发明一种混合储能系统的智能控制装置的结构框图；
图3是本发明混合储能系统的拓扑结构图；
图4是没有基于事件触发的自抗扰控制模块电压电流双闭环控制方法的结构图；
图5是本发明触发因子对电压纹波和触发次数影响的线性坐标图；
图6是本发明基于事件触发自抗扰控制的混合储能系统控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
参照图1，本发明提供了一种混合储能系统的智能控制方法，该方法包括以下步骤：
S1、通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
S11、所述混合储能系统包括双向DC-DC变换器和直流母线；
具体地，参照图3和图6，所述混合储能系统为全主动拓扑结构，主要由电池、超级电容、两个双向DC-DC变换器、电压传感器、电流传感器、脉冲宽度调制信号发生器、直流母线和负载组成，其流程原理如下所示：
电池通过双向DC-DC变换器(主要包括电感Lb、功率开关Sb，1和Sb，2)与直流母线相连，电压传感器V1负责测量电池端电压vb，电流传感器A1负责测量电池的输出电流ib；超级电容通过双向DC-DC变换器(主要包括电感Lsc、功率开关Ssc，1和Ssc，2)与直流母线相连，电压传感器V2负责测量超级电容端电压vsc，电流传感器A2负责测量超级电容的输出电流ib；母线电容C和负载电阻R与直流母线并联，电压传感器V3负责测量直流母线电压vbus，电流传感器A3负责测量负载电流iR；
在混合储能系统中，电池的功率密度低、能量密度高，单位质量/体积所能存储的能量更多；相反，超级电容的能量密度低、功率密度高，单位质量/体积所能释放的功率更大。因此，利用这两种性能互补的储能系统，使电池负责响应平均功率需求而超级电容响应瞬时功率需求，能够有效减少电池的充放电次数、减轻瞬间大电流对电池的冲击，提高电池的使用寿命和工作效率。测量得到的电流、电压数据与母线电压参考值输入至所设计的控制器，计算并得到控制信号——即控制电池的变换器的占空比db和控制超级电容的变换器的占空比dsc。db经过PWM信号发生器生成开关信号qb控制开关Sb，1，其互补的开关信号qsc则控制开关Sb，2；同样地，dsc经过PWM信号发生器生成开关信号qsc控制开关Ssc，1，其互补的开关信号则控制开关Ssc，2。控制器对混合储能系统进行合理的功率分配，实时调节电池和超级电容的输出，不仅能够维持直流母线电压的平衡，也能提高电池的工作寿命，从而降低电池的更换成本
S12、通过状态空间平均法分别对双向DC-DC变换器和直流母线进行分析，得到对应的动态平衡方程；
具体地，双向DC-DC变换器的动态平衡方程如下所示：
Figure BDA0003584139750000051
Figure BDA0003584139750000052
上式中，vb表示电池的电压，ib表示电池的电流，vbus表示直流母线的电压，Lb表示双向DC-DC变换器的电感，db表示控制电池的双向DC-DC变换器的占空比，vsc表示超级电容的电压，isc表示超级电容的电流，Lsc表示超级电容双向DC-DC变换器的电感，dsc表示控制超级电容的双向DC-DC变换器的占空比，t表示时间；
直流母线的动态平衡方程如下所示：
Figure BDA0003584139750000053
上式中，vbus表示直流母线的电压，C表示直流母线的电容，iR表示负载电流；
当ib或isc是正值时，功率将从电池或超级电容流向直流母线，维持负载的正常运行；当ib或isc是负值时，功率将从直流母线流向电池或超级电容，储能系统吸收过多的能量保持直流母线的平衡。
S13、结合双向DC-DC变换器和直流母线的动态平衡方程，构建混合储能系统数学模型。
具体地，结合双向DC-DC变换器和直流母线的动态平衡方程，因为在同一采样周期ts下物理量y(t)＝[vb(t)，vsc(t)，iR(t)]T与状态变量x(t)＝[vb(t)，vsc(t)，vbus(t)]T相比变化较为缓慢，可近似为恒定值，所以可列出混合储能系统数学模型如下所示：
Figure BDA0003584139750000054
Figure BDA0003584139750000055
Figure BDA0003584139750000056
上式中，x(t)表示混合储能系统的状态变量，y(t)表示与x(t)相比在同一采样周期下混合储能系统缓慢变化的物理量，dsc表示控制超级电容的双向DC-DC变换器的占空比，C表示直流母线电容，A表示混合储能系统的系统矩阵，B表示混合储能系统的输入矩阵，dh表示控制电池的双向DC-DC变换器的占空比，L表示双向DC-DC变换器的电感，
Figure BDA0003584139750000061
表示混合储能系统状态变量的微分。
S2、基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到开关信号；
S21、定义直流母线电压为混合储能系统的输出电压，构建输出方程；
具体地，参照图4，所述自抗扰控制模块包括电压环计算模块、低通滤波器和PI计算模块，采用电压电流双闭环控制结构，由自抗扰控制的电压外环和比例-积分控制的电流外环组成。为解决混合储能系统功率不匹配问题，设储能系统的总电流参考信号为
Figure BDA0003584139750000062
并将此作为电流内环的参考信号u。定义y＝vbus为系统的输出，则输出方程的表达式如下所示：
Figure BDA0003584139750000063
上式中，b0表示可调节的补偿因子，f表示系统的总扰动包括参数的不确定性和未知的外部扰动，u表示电流内环的参考信号，
Figure BDA0003584139750000064
表示系统输出的微分。
S22、基于非线性扩张状态观测器，通过fal函数对输出方程进行观测，得到观测值；
具体地，设计非线性扩张状态观测器如下所示：
Figure BDA0003584139750000065
上式中，e表示观测误差，z1表示系统输出的观测值，z2表示系统总扰动的观测者，β1表示影响观测值z1的增益，β2表示影响观测值z2的增益，其参数选取方法为：
β1＝2ωo
Figure BDA0003584139750000066
上式中，ωo是观测器的可调增益，影响观测器的跟踪性能，fal函数可描述为：
Figure BDA0003584139750000067
上式中，上式中，δ表示由系统采样周期ts决定的正数，e表示观测误差值，α表示fal函数的跟踪参数，sgn(e)表示e的正负值；
当参数α选为[0，1]时，fal函数具有“小误差，大增益；大误差，小增益”的特性，可帮助观测值快速收敛到真实值。
S23、基于反馈控制律，根据观测值对输出方程进行电压环计算，得到电流参考值；
具体地，假设总扰动f能够被z2很好地跟踪，设计反馈控制律：
Figure BDA0003584139750000071
上式中，u0表示误差反馈控制量；
可使混合储能系统输出方程被补偿成为一个单积分器系统：
Figure BDA0003584139750000072
上式中，
Figure BDA0003584139750000073
表示系统输出的微分；
利用简单的积分控制：
Figure BDA0003584139750000074
上式中，Kp表示比例系数，
Figure BDA0003584139750000075
表示直流母线电压参考值；
即可实现电压外环的自抗扰控制。
S24、通过低通滤波器对电流参考值进行分频处理，得到电池的电流参考值和超级电容的电流参考值；
S25、通过电流传感器分别对电池和超级电容进行测量，得到电池的电流测量值和超级电容的电流测量值；
S26、电池的电流测量值和超级电容的电流测量值分别与对应的电池的电流参考值和超级电容的电流参考值进行作差处理，得到电池的电流误差值和超级电容的电流误差值；
S27、对电池的电流误差值和超级电容的电流误差值进行PI计算，得到占空比信号。
具体地，如前所述，本发明在电压环设计的一阶自抗扰控制模块与传统的高阶自抗扰控制模块相比，需要调节的参数更少，即只需调整b0，ωo以及Kp，降低了调参的难度，自抗扰控制的电压环计算得出总电流参考值
Figure BDA0003584139750000076
后，经过低通滤波进行分频处理，即：
Figure BDA0003584139750000077
Figure BDA0003584139750000078
上式中，
Figure BDA0003584139750000079
表示电池的电流参考值，
Figure BDA00035841397500000710
表示超级电容的电流参考值，tf表示由电池所决定的滤波因子，s表示拉普拉斯变换算子，
Figure BDA00035841397500000711
表示混合储能系统的总电流参考值；
所述电池的电流参考值和超级电容的电流参考值以实现混合储能系统中的电池响应平均功率需求而超级电容负责响应高频功率需求然后分别与测量值作差得到各自的电流误差eb和esc，根据PI计算得到的占空比db和dsc，利用PWM可分别生成双向DC-DC变换器的开关信号qb和qsc。
S3、基于开关信号，根据触发条件控制混合储能系统中功率开关的开关动作。
S31、获取系统误差；
S32、判断到系统误差满足预设的触发条件，控制自抗扰控制模块更新占空比信号，并根据更新后的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关；
S33、判断到系统误差不满足预设的触发条件，此时占空比信号保持上一时刻的占空比信号，并根据上一时刻的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关。
具体地，首先定义在上一触发时刻ti系统的状态为x(ti)、下一触发时刻ti+1的状态为x(ti+1)以及事件触发控制模块的执行周期为tet，则相邻触发时刻相隔N个执行周期，即：
ti+1-ti＝N×tet
上式中，ti表示上一触发时刻，ti+1表示下一时刻触发周期，X(ti)表示上一触发时刻ti系统的状态，tet表示事件触发控制模块的执行周期，N表示执行周期数；
系统的状态误差可表示为：
err(t)＝x(t)-x(ti)，t∈[ti，ti+1)
上式中，err(t)表示系统状态偏离上一目标状态的程度；
为保证系统输入-状态稳定性，触发条件公式可设计如下所示：
Figure BDA0003584139750000081
上式中，err(t)表示系统状态偏离上一目标状态的程度，||err(t)||表示对应误差的模，ti表示上一触发时刻，X(ti)表示上一触发时刻ti系统的状态，
Figure BDA0003584139750000082
表示可调的触发因子，y(ti)表示上一触发时刻ti混合储能系统缓慢变化的物理量的微分；
参照图5，
Figure BDA0003584139750000083
是可调的触发因子，调整
Figure BDA0003584139750000084
的大小可设计合适的触发条件，若触发条件过于严格，会造成过多的触发事件次数，浪费计算资源，而且会产生冗余的开关动作，增加功率开关的开通和关断损耗；若触发条件过于宽松，则会增大直流母线电压纹波，甚至失去对系统的有效控制。触发因子对触发事件次数和直流母线电压纹波的影响的规律具体为，当
Figure BDA0003584139750000085
增大时，触发事件次数增多但直流母线电压纹波减小；反之，当
Figure BDA0003584139750000086
减小时，触发事件次数减少但直流母线电压纹波增大。因此，实验前可先进行适当的模拟仿真，选取图5中两曲线交点附近的
Figure BDA0003584139750000087
直(此时触发事件次数较少且电压纹波较小)，为实际应用时的参数设计提供指导意见，当事件触发控制模块检测到系统的状态误差满足触发条件时，ET信号为真，此时执行自抗扰控制模块更新占空比控制信号；当系统的状态误差不满足触发条件时，ET信号为假，此时暂时挂起自抗扰控制模块，占空比控制信号保持上一触发时刻的数值
参照图2，一种混合储能系统的智能控制装置，包括：
构建模块，用于通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
分析模块，基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号；
控制模块，基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作。
上述方法实施例中的内容均适用于本系统实施例中，本系统实施例所具体实现的功能与上述方法实施例相同，并且达到的有益效果与上述方法实施例所达到的有益效果也相同。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号；
基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作。
2.根据权利要求1所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型这一步骤，其具体包括：
通过状态空间平均法分别对混合储能系统中的双向DC-DC变换器和直流母线进行分析，得到双向DC-DC变换器的动态平衡方程和直流母线的动态平衡方程；
结合双向DC-DC变换器的动态平衡方程和直流母线的动态平衡方程，构建混合储能系统数学模型。
3.根据权利要求2所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述混合储能系统数学模型表示如下：
Figure FDA0003584139740000011
Figure FDA0003584139740000012
Figure FDA0003584139740000013
上式中，x(t)表示混合储能系统的状态变量，y(t)表示与x(t)相比在同一采样周期下混合储能系统缓慢变化的物理量，dsc表示控制超级电容的双向DC-DC变换器的占空比，C表示直流母线电容，A表示混合储能系统的系统矩阵，B表示混合储能系统的输入矩阵，db表示控制电池的双向DC-DC变换器的占空比，L表示双向DC-DC变换器的电感，
Figure FDA0003584139740000014
表示混合储能系统状态变量的微分。
4.根据权利要求3所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述自抗扰控制模块包括电压环计算模块、低通滤波器和PI计算模块，所述基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号这一步骤，其具体包括：
定义直流母线电压为混合储能系统的输出电压，构建输出方程；
基于非线性扩张状态观测器，通过fal函数对输出方程进行观测，得到观测值；
基于反馈控制律，根据观测值对输出方程进行电压环计算，得到电流参考值；
通过低通滤波器对电流参考值进行分频处理，得到电池的电流参考值和超级电容的电流参考值；
通过电流传感器分别对电池和超级电容进行测量，得到电池的电流测量值和超级电容的电流测量值；
电池的电流测量值和超级电容的电流测量值分别与对应的电池的电流参考值和超级电容的电流参考值进行作差处理，得到电池的电流误差值和超级电容的电流误差值；
对电池的电流误差值和超级电容的电流误差值进行PI计算，得到占空比信号。
5.根据权利要求4所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述输出方程的表达式如下所示：
Figure FDA0003584139740000021
上式中，b0表示可调节的补偿因子，f表示系统的总扰动包括参数的不确定性和未知的外部扰动，u表示电流内环的参考信号，
Figure FDA0003584139740000022
表示系统输出的微分。
6.根据权利要求5所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述fal函数的表达式如下所示：
Figure FDA0003584139740000023
上式中，δ表示由系统采样周期ts决定的正数，e表示观测误差值，α表示fal函数的跟踪参数，sgn(e)表示e的正负值。
7.根据权利要求6所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作这一步骤，其具体包括：
获取系统误差；
判断到系统误差满足预设的触发条件，控制自抗扰控制模块更新占空比信号，并根据更新后的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关；
判断到系统误差不满足预设的触发条件，控制自抗扰模块保持上一时刻的占空比信号，并根据上一时刻的占空比信号生成开关信号，控制混合储能系统中的功率开关。
8.根据权利要求7所述一种混合储能系统的智能控制方法，其特征在于，所述触发条件公式具体表示如下：
Figure FDA0003584139740000031
上式中，err(t)表示系统状态偏离上一目标状态的程度，||err(t)||表示对应误差的模，ti表示上一触发时刻，X(ti)表示上一触发时刻ti系统的状态，
Figure FDA0003584139740000032
表示可调的触发因子，y(ti)表示上一触发时刻ti混合储能系统缓慢变化的物理量的微分。
9.一种混合储能系统的智能控制装置，其特征在于，包括以下模块：
构建模块，用于通过状态空间平均法对混合储能系统进行分析，构建混合储能系统数学模型；
分析模块，基于混合储能系统数学模型，通过电压电流双闭环控制方法对自抗扰控制模块进行分析，得到占空比信号；
控制模块，基于预设的触发条件，根据占空比信号控制混合储能系统中功率开关的开关动作。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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