含有变系数负载观测器的混合储能控制系统及其设计方法与流程

本发明涉及负载控制领域，尤其是涉及一种含有变系数负载观测器的混合储能控制系统及其设计方法。

背景技术：

直流微网运行的稳定性能很大程度上取决于混合储能系统的控制性能，由于混合储能控制系统输入变量包含有负载状态反馈信息，该信息不易直接测量，因此需用负载观测器获得该信息。但目前大多数的负载观测器都是基于李雅普诺夫稳定意义下讨论的，精确的负载状态信息只能在无穷时间内跟踪，无法在有限时间内获得，这一点使得控制器不能快速准确地生成控制律，进而影响混合储能控制性能。

由于混合储能系统为时变系统，其中的负载，母线电压以及电路参数均为时变参数，常系数的有限时间负载观测器不能很好地观测负载信息。为此，设计一种适合于混合储能控制系统的变系数有限时间负载观测器是十分必要的。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种含有变系数负载观测器的混合储能控制系统及其设计方法。变系数有限时间负载观测器可以在有限时间内实现负载状态的快速准确跟踪，为混合储能控制系统提供精确的负载状态反馈，提高混合储能控制性能。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种含有变系数负载观测器的混合储能控制系统，所述的混合储能控制系统包括蓄电池储能单元和超级电容储能单元，以及混合储能控制装置，所述的混合储能控制装置输出端分别连接蓄电池储能单元和超级电容储能单元，所述的蓄电池储能单元和超级电容储能单元分别通过双向DC-DC变换器并联至直流母线上，所述的混合储能控制系统还包括变系数有限时间负载观测器，所述的变系数有限时间负载观测器输出端连接混合储能控制装置输入端。

所述的变系数有限时间负载观测器以直流母线的实时电压和实时电流值作为输入，输出负载阻抗估计值至混合储能控制装置输入端，通过混合储能控制装置控制储能单元，维持直流母线电压稳定。

一种用于所述的一种含变系数负载观测器的混合储能控制系统的设计方法，所述的混合储能控制系统将直流母线的总电流和负载电压输入变系数有限时间负载观测器，由变系数有限时间负载观测器估计负载变化信息，所述的变系数有限时间负载观测器输出实时负载数据至混合储能控制装置，使混合储能控制装置对直流母线电压进行实时控制，维持直流母线电压稳定，所述的方法包括以下步骤：

S1、变系数有限时间负载观测器设计；

S2、混合储能控制系统数学模型建立；

S3、混合储能控制装置设计。

步骤S1具体为：

推导直流母线电压动态方程：

i_s为储能单元注入到直流母线的电流值，也是变系数有限时间负载观测器的输入值；

v_c为直流母线电压，R为负载阻抗；

在负荷端，设计变系数有限时间负载观测器：

为直流母线电压估计值，是时变量，也是变系数有限时间负载观测器的输入值；

为负载阻抗的估计值，是变系数有限时间负载观测器的输出值；

l₁与l₂为无源控制器参数；

函数其中分数幂β＝β₁,β₂，且满足0＜β₁＜1，0＜β₂＜1。

步骤S2具体为：混合储能控制系统数学模型如下，

其中，ΔV_C＝V_C-V_C^*为直流母线实际电压与期望电压之间的偏差，V_C^*为直流母线期望电压值；

ΔV_SC＝V_SC-V_SC^*为超级电容实际电压与期望电压之间的偏差，V_SC^*为超级电容期望电压值；

i_sc^*、i_b^*分别为无源控制器的输出值，即超级电容储能单元和蓄电池储能单元充放电电流；

R为负载阻抗；

C为直流母线等效电容，C_SC为超级电容的等效电容；

i_sc、i_b分别为超级电容和蓄电池充放电电流；

V_SC、V_b、V_C分别为超级电容电压、蓄电池电压和直流母线电压。

步骤S3包括以下步骤：

S31、无源控制器设计；

S32、电流调节装置设计。

所述的无源控制器设计：

其中α＝jCC_SC＞0；

C为直流母线等效电容，C_SC为超级电容的等效电容；

V_SC、V_b、V_C和分别为超级电容电压、蓄电池电压、直流母线电压和负载阻抗的估计值，即无源控制器的输入值；

i_sc^*、i_b^*分别为超级电容和蓄电池充放电电流，即无源控制器的输出值。

所述的电流调节装置设计：

u_b＝K_P1(i_b-i_b^*)

u_sc＝K_P3(i_sc-i_sc^*)

i_sc^*、i_b^*分别为电流调节装置的输入值，也是无源控制器的输出值；

u_b、u_sc分别为电流调节装置的输出值；

其中K_P3与K_P1为比例调节器放大系数。

所述的蓄电池储能单元中设有开关T₁和T₂，所述的超级电容储能单元中设有开关T₃和T₄，所述的混合储能控制装置通过控制开关T₁、T₂、T₃和T₄的开度来控制直流母线电压，开关控制律为：开关T1控制律为1-u_b；开关T2控制律为u_b；开关T3控制律为1-u_sc；开关T4控制律为u_sc。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)本发明针对混合储能控制系统中存在负载状态这一不易测量的输入变量信息，设计一种适合于混合储能控制系统的变系数有限时间负载观测器来估计这一信息，使得母线电压控制保持稳定；

2)该观测器运用有限时间观测理论，实现状态的有限时间精确重构，为混合储能控制器提供快速准确的负载状态估计，提高储能系统的控制性能。

附图说明

图1为含有变系数负载观测器的混合储能控制系统结构图；

图2混合储能系统简化结构图；

图3基于变系数有限时间负载观测器的混合储能无源控制结构图；

图4直流母线电压波形图；

图5负载变化及其观测值波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

实施例

针对负载观测器只能在无穷时间内获得精确的负载状态估计值，本发明运用有限时间观测理论，改进负载观测器设计，实现状态的有限时间精确重构，为混合储能控制系统提供快速准确的负载状态估计，提高混合储能系统的控制性能。

本发明针对混合储能控制系统中存在负载状态这一不易测量的输入变量信息，设计一种适合于混合储能控制系统的变系数有限时间负载观测器来估计这一信息，如图1所示。该观测器运用有限时间观测理论，实现状态的有限时间精确重构，为混合储能控制器提供快速准确的负载状态估计，提高储能系统的控制性能。

以微电网中的混合储能为应用背景，设计混合储能控制系统的变系数有限时间负载观测器，负载观测器输出应用于混合储能无源控制系统的设计；混合储能控制系统包含有混合储能无源控制器及电流调节装置；混合储能无源控制器设计是在混合储能系统数学模型的基础上，依据无源控制理论设计得出，生成变换器电感电流参考值；电流调节装置为比例控制器，其输出为变换器电感电流参考值与电感电流值之差；混合储能无源控制器输入信号之一为负载状态，该状态由变系数有限时间负载观测器估计得出。具体设计过程如下：

变系数有限时间负载观测器设计的一般方法为：

针对一非线性系统为：

其中，i＝1,...,n为自然数；x＝(x₁,...,x_n)^T∈Rⁿ为系统状态，u为控制输入，y为系统输出。与f_i(t,x₁,...,x_i,u)、f_n(t,x₁,...,x_n,u)为时变连续函数。

有限时间负载观测器可设计为：

其中，为状态x_i的观测值，0＜m_i＜1，函数且与为时变连续函数，k_i，k_n为无源控制器参数。

1)变系数有限时间负载观测器设计

由于负载状态信息R参与混合储能系统无源控制器输入，该值不易直接测量，现设计变系数有限时间负载观测器估计这一信息。

混合储能系统可简化为图2所示，运用基尔霍夫电路定律，推导直流母线电压动态方程：

其中，i_s为储能系统通过变换器注入到直流母线的电流值。在负荷端，由于负荷R以及电压v_c均为时变参数，为了更准确估计变量R，设计变系数有限时间负载观测器：

其中，为直流母线电压估计值；为负载阻抗的估计值；l₁与l₂为无源控制器参数；函数其中分数幂β＝β₁,β₂，且满足0＜β₁＜1，0＜β₂＜1。

在所设计的观测器(4)中，v_c为时变量，这一点不同于常系数的有限时间观测器。变系数有限时间负载观测器输出估计值作为负载阻抗信号参与混合储能控制器输入。

2)混合储能系统数学模型

混合储能系统无源控制器设计是以混合储能系统数学模型为基础，根据基尔霍夫电路定律及状态空间模型法，得混合储能系统数学模型为：

其中，R为负载阻抗；α₁、α₃分别为开关T₁及开关T₃的占空比；C为直流母线等效电容，C_SC为超级电容的等效电容；L_SC为连接超级电容变换器电感，L_b为连接蓄电池变换器电感；i_sc、i_b为超级电容和蓄电池充放电电流；V_SC、V_b、V_C分别为超级电容电压、蓄电池电压和直流母线电压。

由于电流调节器调节速度足够快，其所控制的电流i_sc与i_b能够快速的跟踪其参考值i^*_sc与i^*_b，则i_SC＝i_SC^*，i_b＝i_b^*，将其带入混合储能系统数学模型(5)中，得：

其中，ΔV_C＝V_C-V_C^*为母线实际电压与期望电压之间的偏差，V_C^*为母线期望电压值；ΔV_SC＝V_SC-V_SC^*为超级电容实际电压与期望电压之间的偏差，V_SC^*为超级电容期望电压值。

3)混合储能控制系统设计

混合储能控制系统包含有混合储能无源控制器及电流调节装置；混合储能无源控制器设计是在混合储能系统数学模型的基础上，依据无源控制理论设计得出，生成变换器电感电流参考值；电流调节装置为比例控制器，其输出为变换器电感电流参考值与电感电流值之差。基于变系数有限时间负载观测器的混合储能无源控制结构图见图3。

31)无源控制器设计

按照互联和阻尼配置无源控制方法，在选取闭环系统能量函数时，选取的能量函数为：

根据互联和阻尼无源配置控制等式结合式(6)及能量函数(7)可导出如下匹配方程：

其中，互联矩阵阻尼矩阵j、r₁、r₂为无源控制器参数。

由式(8)推出超级电容与蓄电池充放电参考电流：

将超级电容用于调节直流母线电压，蓄电池用于维持超级电容电压，式(9)简化为：

其中α＝jCC_SC＞0。

将式(10)中的负载阻抗R为替换为则混合储能系统的无源控制器设计为：

32)电流调节装置设计

采用比例调节器作为电流调节装置，控制超级电容和蓄电池电流快速跟踪电流参考值。比例调节器输入为电流与电流参考值的误差，输出为：

u_b＝K_P1(i_b-i_b^*) (12)

u_sc＝K_P3(i_sc-i_sc^*) (13)

其中K_P3与K_P1为比例调节器放大系数。

变换器开关控制律为：开关T₁控制律为1-u_b；开关T₂控制律为u_b；开关T₃控制律为1-u_sc；开关T₄控制律为u_sc。

在仿真中，设置负载变化为图5所示，在0～0.2s负载阻值为10Ω；0.2～0.4s负载阻值为20Ω；0.4～0.55s负载阻值为12.5Ω，在以上的负载变化情况下，直流母线电压稳定在额定值50V，如图4所示。

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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。