CN116054584A - 光伏ups系统的电压控制方法、装置及可读介质 - Google Patents

光伏ups系统的电压控制方法、装置及可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质，该方法包括：获取双向DC‑DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。通过计算矢量作用时间来使目标函数误差尽量减小，同时减少了计算量和预测次数，固定了开关管频率，减小了电流纹波，当负载突变时也能够输出较平稳的电压波形。

Description

光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质
技术领域
本发明涉及不间断电源技术领域，特别涉及一种光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质。
背景技术
UPS（Uninterruptible Power System），即不间断电源，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断（事故停电）时，UPS立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。UPS设备通常对电压过大和电压太低都提供保护。
大功率的电力电子器件被广泛应用于新能源领域；隔离型双向全桥DC-DC变换器这种功率器件被广泛应用在光伏发电系统、清洁能源无人驾驶汽车系统、不间断电源等领域。全桥变换器应用在光伏系统中有升压和降压两种工作方式，变换器能量可以在隔离变压器之间双向流动，当光伏系统中能量小于全桥变换器负载所需能量时，变换器在升压模式下工作。当光伏系统中能量大于全桥变换器负载所需能量时，变换器在降压模式下工作。光伏发电系统中DC-DC变换器的控制算法可以分为移相控制，均流控制和预测控制。根据控制直流变换器种类的不同，移相控制策略已广泛应用于带交流变压器的双向有源全桥直流变换器，双重移相控制通过控制原副边侧相位角的超前或滞后来控制变换器升压和降压模式，进而控制变换器的正常工作，动态响应性能好。然而移相控制会造成开关频率不固定并产生较大的电流纹波误差，抗干扰性能差。均流控制常用于并联DC-DC变换器，利用开环输出阻抗传递函数设计均流控制器；其优点在于减少了各模块的参数误差范围和动态均流能力，具有良好的平衡性能。
DC-DC全桥变换器的移相控制方法可以实现软开关，可以降低电路运行过程中的回流功率和各种损耗，但移相控制也有不足的地方，其开关管的工作频率、电压匹配比和内外移相比不固定，以上缺点会导致电感电流纹波较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质，旨在解决现有DC-DC全桥变换器的移相控制方法的电感电流纹波较大技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
本发明的第一个方面，提供了一种光伏UPS系统的电压控制方法，该方法包括：
获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
进一步的，所述获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
根据双向全桥DC-DC变换器一个工作周期内电感电流的数学模型得出预测电流模型离散数学表达式，采用一阶欧拉前向法进行离散化得到：
其中，T为采样周期，V1(k)，V2(k)和Vi(k)分别为第k时刻的输入输出电压和电感电流；
目标函数是体现k+1时刻预测值与参考值之间的差距，建立目标函数如下：
。
进一步的，所述将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
设变压器原副边交流电压分别为VH1和VH2，设d1-8这个变量分别对应8个开关管导通状态，当d1,4取1,d2,3取0时，由DC-DC全桥变换器的基本电路结构可以得出VH1和VH2，原边侧输出电流的表达式为：
假设原边侧输入电压不变，则选取电感电流iL和输出电压V2为状态空间变量：
由上式可得变换器的状态空间方程：
。
进一步的，根据所述DC-DC全桥变换器的基本电路结构定义各个开关管的开关函数如下：
根据变换器各个开关管导通与关断的开关函数可将该变换器简化为四种工作模式，从而得出变换器在一个工作周期内四种工作状态下VH1，VH2和输出电流i的表达式为：
结合上式可得变换器的状态空间方程为：
因此，电感电流在一个工作周期内的四种状态空间方程即：
由全桥DC-DC变换器四种状态空间方程可得在t0-t1，t1-t2时刻电感电流的变化率f1,f2分别为：
k时刻下电感电流采样值为iL(k)，则k+1时刻电感电流iL(k+1)预测值为：
式中。
进一步的，所述方法还包括：
据无差拍预测电流控制，令由此，得到k+1时刻开关管在t0-t1，t1-t2时刻矢量a和矢量b作用时间为：
同理可得DC-DC变换器在t2-t3，t3-t4时刻开关管导通时的矢量c和矢量d作用时间为：
忽略电感电流可得变换器的降阶状态空间平均模型为：
上式中输出电压对时间求导表示输出电压的变化率；采用欧拉前向法对该输出电压的变化率进行离散化处理，可得：
联立上式化简可得预测模型：
。
进一步的，所述方法还包括：引入负载电流io来代替负载电阻，故预测模型如下式所示：
式中为当前时刻的采样输出电压，为下一时刻的采样输出电压，f为开关采样频率，D为占空比。
进一步的，所述方法包括：根据预测模型可以建立DC-DC变换器模块的目标函数：
在式中V2(k+1)，i(k+1)为预测变量，Vref，iref为参考值；
对上式求偏导得：
令上式为零得：
进而可以把控制量D代入目标函数求取最小值。
基于同一发明构思，本发明另一方面，还提供了一种光伏UPS系统的电压控制装置，所述装置包括处理器、存储器及数据总线；
所述数据总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；
所述处理器用于执行存储器中存储的设备GPS定位取点程序，以实现以下步骤：
获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
基于同一发明构思，本发明的另一方面，提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有光伏UPS系统的电压控制程序，所述光伏UPS系统的电压控制程序被处理器执行时实现所述的光伏UPS系统的电压控制方法的步骤。
本发明技术方案的有益效果：
本申请的光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质，通过建立变换器的预测模型，通过预测下一时刻开关管导通或截止的状态所对应的目标函数，计算每个开关管在一个工作周期不同时间段内导通或关断所对应的矢量作用时间的大小，来固定每个开关管的开关频率；通过已建立的预测模型和目标函数求出控制量D；该模型预测控制可以达到减小电感电流纹波和负载突变时能够更好输出较平稳的电压波形的目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的光伏UPS系统的电压控制方法的流程框图；
图2是全桥双向DC-DC变换器电路原理结构图；
图3是本发明的DC-DC变换器电路原理拓扑图；
图4是本发明的电压控制变换PI模型预测控制框图；
图5是本发明的本发明的光伏UPS系统的电压控制装置原理结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
如图1、4所示，本发明实施例提供了一种光伏UPS系统的电压控制方法，该方法包括：
S101、获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
S102、选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
S103、根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
图2是全桥式变换器的同一桥臂上是开关管与二极管并联，取代半桥式变换器上对称的电容。在全桥变换器电路结构中，隔离变压器两侧有8个对称的开关管，当对角开关管同时导通时，开关管运行时的电压、电流较低，在大功率工程中普遍使用。
具体的，所述获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
根据双向全桥DC-DC变换器一个工作周期内电感电流的数学模型得出预测电流模型离散数学表达式，采用一阶欧拉前向法进行离散化得到：
其中，T为采样周期，V1(k)，V2(k)和Vi(k)分别为第k时刻的输入输出电压和电感电流；
目标函数是体现k+1时刻预测值与参考值之间的差距，建立目标函数如下：
。
进一步的，所述将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
双向全桥DC-DC变换器是在降压模式下分析电感的电流，设定电容两端的电压和变压器原副边交流电压之间的表达式。设变压器原副边交流电压分别为VH1和VH2，设d1-8这个变量分别对应8个开关管导通状态（di取1时开关管为导通状态，di取0开关管为不导通的状态，i为1至8），当d1,4取1,d2,3取0时，由DC-DC全桥变换器的基本电路结构可以得出VH1和VH2，原边侧输出电流的表达式为：
假设原边侧输入电压不变，则选取电感电流iL和输出电压V2为状态空间变量：
由上式可得变换器的状态空间方程：
。
如图3所示，双向全桥DC-DC有两个全桥结构，S1-S4和Q1∼Q4采用开关管IGBT，C1为稳压电容，C2为滤波电容，原边侧电感L和一个隔离型变压器T组成，C1和C2有着稳压和滤波的作用，反向续流二极管与8个开关管并联。流经原边侧电感的电流设为iL，副边侧输出电流为i0，流经副边侧稳压电容的电流为iC。T为交流隔离变压器，匝数之比为n:1。
为了便于表示该变换器在一个工作周期内的状态空间表达式，根据图3，根据所述DC-DC全桥变换器的基本电路结构定义各个开关管的开关函数如下：
因此根据变换器各个开关管导通与关断的开关函数可将该变换器简化为四种工作模式，如下表所示：
由上表可以得出变换器在一个工作周期内四种工作状态下（在理想状态下）VH1，
VH2和输出电流i的表达式为：
结合上式可得变换器的状态空间方程为：
因此电感电流在一个工作周期内的四种状态空间方程即：
由全桥DC-DC变换器四种状态空间方程可得在t0-t1，t1-t2时刻电感电流的变化率f1,f2分别为：
k时刻下电感电流采样值为iL(k)，则k+1时刻电感电流iL(k+1)预测值为：
式中。
为了减小电感电流误差，据无差拍预测电流控制：令由此，得到k+1时刻开关管在t0-t1，t1-t2时刻矢量a和矢量b作用时间为：
同理可得DC-DC变换器在t2-t3，t3-t4时刻开关管导通时的矢量c和矢量d作用时间为：
为了得到该变换器的预测模型，每一个状态空间方程组只能代表该时刻下的电压电流与其它电气参数之间的关系。因此在整个开关周期内，需要建立一个统一的状态空间微分方程。对于双向DC-DC变换器，电感电流在整个开关周期内平均值为0。忽略电感电流可得变换器的降阶状态空间平均模型为：
式中输出电压对时间求导表示输出电压的变化率；采用欧拉前向法对该输出电压的变化率进行离散化处理，可得：
联立上式化简可得预测模型：
式中预测模型由于存在负载电阻参数，会导致负载的变化从而引起预测模型不精确，因此引入负载电流io来代替负载电阻，故预测模型如下式所示：
在式中为当前时刻的采样输出电压，为下一时刻的采样输出电压，f为开关采样频率，D为占空比。
一般情况下，预测控制中的目标函数是预测变量和参考值的差，当目标函数包含多个误差项时，仅通过差来定义，不利于用目标函数求极值，所以本文采用误差的二次方差，来精确跟踪下一时刻的采样值。
采用预测控制的方法对该变换器进行控制，首要控制的参数是输出电压（保证输出电压的稳定性）和电感的电流。因此，根据预测模型可以建立DC-DC变换器模块的目标函数：
在式中V2(k+1)，i(k+1)为预测变量，Vref，iref为参考值；
由上式可知，目标函数值越小，表示下一时刻的输出电压与参考电压的偏差越小，因此，所选取的最优控制量应该使目标函数值最小。考虑选取D作为控制量，对D求偏导，并可得出目标函数取最小值时控制量D的表达式。对上式求偏导得：
令上式为零得：
进而可以把控制量D代入目标函数求取最小值，所求得的控制量D可以用仿真模型来验证。
通过建立预测模型，用当前时刻的数据和下一时刻的数据预测系统未来时刻数据的状态选择系统未来时刻数据的状态可以得出系统的未来数据的输出值，目的是使未来时刻数据的输出值能够跟随参考轨迹。通过计算矢量作用时间来使目标函数最小化来选择开关管状态组合，与基本的预测控制算法相比，该方法固定了开关管频率，减小了电感电流纹波，同时直流输入母线电压受外界干扰波动后，在负载突然变化时，仍能提高动态系统的稳定性。
实施例2
如图5所示，本发明实施例提供了一种光伏UPS系统的电压控制装置，所述装置至少包括处理器21、存储器22以及数据总线23。数据总线23用于实现处理器21和存储器22之间的连接通信，存储器22作为一种计算机可读存储介质，可以存储至少一个计算机程序，这些计算机程序可供处理器21读取、编译并执行，从而实现对应的处理流程。在本实施例中，存储器22作为一种计算机可读存储介质，其中存储有光伏UPS系统的电压控制程序，该程序可供处理器21执行，从而实现如下的光伏UPS系统的电压控制方法的步骤：
获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
该装置对该变换器进行控制，能更好提高电路系统的运行速度和稳定性，以及系统的动态性能和鲁棒性能。在目标函数寻优过程中应该选取使目标函数最小时的开关状态，通过计算矢量作用时间来使目标函数误差尽量减小，同时减少了计算量和预测次数，固定了开关管频率，减小了电流纹波，当负载突变时也能够输出较平稳的电压波形。
实施例3
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有光伏UPS系统的电压控制程序，所述光伏UPS系统的电压控制程序被处理器执行时实现实施例1的光伏UPS系统的电压控制方法的步骤。
本发明实施例的光伏UPS系统的电压控制方法、装置及可读介质，通过建立变换器的预测模型，通过预测下一时刻开关管导通或截止的状态所对应的目标函数，计算每个开关管在一个工作周期不同时间段内导通或关断所对应的矢量作用时间的大小，来固定每个开关管的开关频率；通过已建立的预测模型和目标函数求出控制量D；该模型预测控制可以达到减小电感电流纹波和负载突变时能够更好输出较平稳的电压波形的目的。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端设备（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述方法包括：
获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
2.根据权利要求1所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
根据双向全桥DC-DC变换器一个工作周期内电感电流的数学模型得出预测电流模型离散数学表达式，采用一阶欧拉前向法进行离散化得到：
其中，T为采样周期，V1(k)，V2(k)和Vi(k)分别为第k时刻的输入输出电压和电感电流；
目标函数是体现k+1时刻预测值与参考值之间的差距，建立目标函数如下：
。
3.根据权利要求1所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型包括：
设变压器原副边交流电压分别为VH1和VH2，设d1-8这个变量分别对应8个开关管导通状态，当d1,4取1,d2,3取0时，由DC-DC全桥变换器的基本电路结构可以得出VH1和VH2，原边侧输出电流的表达式为：
假设原边侧输入电压不变，则选取电感电流iL和输出电压V2为状态空间变量：
由上式可得变换器的状态空间方程：
。
4.根据权利要求3所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，根据所述DC-DC全桥变换器的基本电路结构定义各个开关管的开关函数如下：
根据变换器各个开关管导通与关断的开关函数可将该变换器简化为四种工作模式，从而得出变换器在一个工作周期内四种工作状态下VH1，VH2和输出电流i的表达式为：
结合上式可得变换器的状态空间方程为：
因此，电感电流在一个工作周期内的四种状态空间方程即：
由全桥DC-DC变换器四种状态空间方程可得在t0-t1，t1-t2时刻电感电流的变化率f1,f2分别为：
k时刻下电感电流采样值为iL(k)，则k+1时刻电感电流iL(k+1)预测值为：
式中。
5.根据权利要求4所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：
据无差拍预测电流控制，令由此，得到k+1时刻开关管在t0-t1，t1-t2时刻矢量a和矢量b作用时间为：
同理可得DC-DC变换器在t2-t3，t3-t4时刻开关管导通时的矢量c和矢量d作用时间为：
忽略电感电流可得变换器的降阶状态空间平均模型为：
上式中输出电压对时间求导表示输出电压的变化率；采用欧拉前向法对该输出电压的变化率进行离散化处理，可得：
联立上式化简可得预测模型：
。
6.根据权利要求5所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述方法还包括：引入负载电流io来代替负载电阻，故预测模型如下式所示：
式中为当前时刻的采样输出电压，为下一时刻的采样输出电压，f为开关采样频率，D为占空比。
7.根据权利要求6所述的光伏UPS系统的电压控制方法，其特征在于，所述方法包括：根据预测模型可以建立DC-DC变换器模块的目标函数：
在式中V2(k+1)，i(k+1)为预测变量，Vref，iref为参考值；
对上式求偏导得：
令上式为零得：
进而可以把控制量D代入目标函数求取最小值。
8.一种光伏UPS系统的电压控制装置，其特征在于，所述装置包括处理器、存储器及数据总线；
所述数据总线用于实现处理器和存储器之间的连接通信；
所述处理器用于执行存储器中存储的设备GPS定位取点程序，以实现以下步骤：
获取双向DC-DC变换器在一个工作周期内不同开关时刻的电感电流的数学表达式，将电感电流进行离散化处理并建立离散预测模型；
选取目标函数，把下一时刻的电流预测值与当前的参考值差值作为目标函数，根据目标函数寻优选取使目标函数为最小值时的开关管导通状态，得到电感电流预测值；
根据所述电感电流预测值校正所述参考值与实际输出值之间的误差，从而实现电压电流稳定控制。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有光伏UPS系统的电压控制程序，所述光伏UPS系统的电压控制程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任意一项所述的光伏UPS系统的电压控制方法的步骤。
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