基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法，采用超级电容和蓄电池作为混合储能系统，超级电容和蓄电池分别通过各自的双向DC?DC变换器并联到直流母线上，形成能量双向回路。直流母线电压、超级电容电压、蓄电池电压及直流母线输出电流信号作为控制参量，输入到有限时间无源控制器中，经控制器运算，生成超级电容和蓄电池充放电参考电流；将参考电流信号、超级电容与蓄电池电流信号作为控制参量，输入到电流调节装置中，经运算处理生成双向DC?DC变换器控制信号，控制混合储能系统充放电抑制直流母线电压波动。有效改善直流母线电压品质，使电压在有限时间内稳定，提高电压的响应速度。
【专利说明】
基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种电力控制技术，特别涉及一种基于混合储能的直流母线电压有限 时间无源控制方法。
【背景技术】
[0002] 在光伏发电和风力发电的应用中，需要配置一定的储能系统用于抑制可再生能源 输出功率的波动程度。单一的储能元件很难同时满足大功率频繁充放电、储能密度高等多 方面的要求。若超级电容和蓄电池混合使用，充分发挥功率型储能与能量型储能的互补优 势，能有效地提高储能系统性能及抑制母线电压波动的能力。对于混合储能系统，由于存在 具有非线性时变结构的双向DC-DC变换器，工业上常用的线性PID控制器已很难达到期望的 控制要求，因此出现一些如滑模控制，无源控制等非线性控制方法增强混合储能系统的控 制性能。
[0003] 在控制系统的性能指标中，收敛性能是很关键的一个指标。然而，现有的关于混合 储能的非线性控制方法得到的研究结果中，控制目标只能以渐进的形式收敛到期望值，究 其原因是，它们讨论的均是闭环控制系统满足Lipschitz连续性质的情况。如无源控制方 法，该方法通过选取具有实际物理意义的李雅普诺夫候选函数，依据互联阻尼注入控制算 法，构造出闭环反馈使闭环系统呈现无源特性来达到稳定目的，而由此构造的控制律满足 Lipschitz连续性质，所以无源控制下的母线电压的收敛形式是渐进的。但在实际中，更希 望看到通过对混合储能系统充放电控制使母线电压能够在有限时间内稳定，这样做不仅提 高了供电系统的稳定性能，而且提高了输出电压的电能质量，减少对负荷的危害。但由于应 用在储能系统的非线性控制方法存在渐进收敛问题，这显然不能达到控制目标有限时间稳 定这一控制要求。
[0004] 近年来，有限时间控制作为一种新的非线性控制手段，它不仅可以保证构造的闭 环系统能够在有限时间内稳定，而且使得控制系统在存在扰动情况下具有更强的抗扰动性 能，这种控制方法所具有的优点已得到了理论界和应用界的广泛关注，并已成功应用在机 器人领域，电机控制以及观测器等领域当中，但在目前，还没有将该方法应用在储能系统的 控制当中。
【发明内容】
[0005] 本发明是针对直流母线电压收敛速度慢的问题，提出了一种基于混合储能的直流 母线电压有限时间无源控制方法，提高直流母线电压稳定速度。
[0006] 本发明的技术方案为：一种基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方 法，超级电容和蓄电池作为混合储能系统，超级电容和蓄电池分别通过各自的双向DC-DC变 换器并联到直流母线上，超级电容SC作为短暂功率调节装置，蓄电池 Bat作为长期能量存储 装置，形成能量双向回路;将直流母线电压、超级电容电压、蓄电池电压及直流母线输出电 流信号作为控制参量，输入到有限时间无源控制器中，经控制器运算，生成超级电容和蓄电 池充放电参考电流;再将两个充放电参考电流信号、超级电容与蓄电池电流信号作为控制 参量，输入到电流调节装置中，经运算处理生成双向DC-DC变换器控制信号，控制混合储能 系统充放电抑制直流母线电压波动;有限时间无源控制器将带有分数幂的能量函数应用于 互联和阻尼配置的无源控制中，并与混合储能系统数学模型进行无源控制匹配，得出使系 统在有限时间内稳定的超级电容和蓄电池充放电参考电流。
[0007] 所述有限时间无源控制器设计步骤如下：
[0008] 1)建立混合储能系统数学模型并简化：
[0009] 假设电流调节器调节速度足够快，其所控制的超级电容和蓄电池充放电电流isc与 ib能够快速的跟踪其参考值Pse与Λ，则ise = ise' ib = ib'简化混合储能系统数学模型为：
[0010]
[0011]
[0012]其中，AVc = Vc-Vf为母线实际电压与期望电压之间的偏差，V，为母线期望电压 值；AVsc = Vsc-Vsf为超级电容实际电压与期望电压之间的偏差，Vsf为超级电容期望电压 值，ibus为直流母线输出电流，也为负载侧电流，其值随负荷变化而变化;C为直流母线等效 电容，C sc为超级电容的等效电容;Vb为蓄电池电压；
[0013] 2)有限时间无源控制器：
[0014]选取带有分数幂的李雅普诺夫函数作为能量函数：
[0015]
[0016] 其中，λ为分数幂，其范围为〇<λ<1;
[0017] 根据互联和阻尼无源配置控制等￥
，结合步骤1)混合储能系 统数学模型导出如下匹配方程：
[0018]
[0019]
[0020] j、n、r2为控制器参数；
[0021] 由匹配方程推出超级电容与蓄电池充放电参考电流：
[0022]
[0023]
[0024] 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，超级电容与 蓄电池充放电参考电流简化为：
[0025]
,
[0026] isc* = -aAVc\
[0027] 其中 a = jCCsc>0。
[0028] 所述电流调节装置采用比例调节器，控制超级电容和蓄电池电流快速跟踪电流参 考值，两个比例调节器输入为超级电容与蓄电池充放电的电流与电流参考值的误差，输出 为：
[0029] Ub = Kpi(ib-ib*),
[0030] Usc = Kp3(isc-isc*),
[0031 ]其中Kp3与1^为两个比例调节器放大系数，
[0032] 两个双向DC-DC变换器均采用双向半桥变换器，连接蓄电池变换器由电感Lb和两 个不同时导通的^组成，连接超级电容变换器由电感Lsc和两个不同时导通的T3、T4组成， 两个双向DC-DC变换器开关控制律为:开关!^控制律为I-Ub;开关!^控制律为Ub;开关T 3控制 律为l-us。;开关Τ4控制律为usc。
[0033] 本发明的有益效果在于:本发明基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制 方法，有效改善直流母线电压品质，使电压在有限时间内稳定，提高电压的响应速度。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制结构图；
[0035] 图2为本发明基于混合储能的直流母线负载电流波形图；
[0036] 图3为本发明基于混合储能的直流母线电压启动阶段波形图；
[0037] 图4为本发明基于混合储能的直流母线电压启动阶段放大波形图；
[0038] 图5为本发明基于混合储能的直流母线电压0.15s处放大波形图；
[0039]图6为本发明基于混合储能的直流母线电压0.25s处放大波形图。
【具体实施方式】
[0040] 为了提高混合储能系统控制性能及抑制母线电压波动的能力，使母线电压具有更 快的稳定速度和更强的抗干扰性，结合无源控制理论及有限时间控制方法，设计一种基于 混合储能系统的直流母线电压有限时间无源控制方法。该方法针对无源控制的渐进收敛问 题，运用有限时间控制手段，在无源控制所选取的李雅普诺夫能量函数中，引入分数幂，设 计出适用于混合储能系统的一种带有分数幂的李雅普诺夫能量函数，并由此设计出混合储 能系统的有限时间无源控制器。由于由此带有分数幂的李雅普诺夫能量函数所构造的闭环 系统破除了Lipschitz连续性质的情况，且使得所构造的闭环反馈能够在有限时间内稳定， 从而达到直流母线电压有限时间稳定这一目的。
[0041] 基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法，采用超级电容和蓄电池作 为混合储能系统，超级电容和蓄电池分别通过各自的双向DC-DC变换器并联到直流母线上， 形成能量双向回路。将直流母线电压、超级电容电压、蓄电池电压及直流母线输出电流信号 作为控制参量，输入到有限时间无源控制器中，经控制器运算，生成超级电容和蓄电池充放 电参考电流;将参考电流信号、超级电容与蓄电池电流信号作为控制参量，输入到电流调节 装置中，经运算处理生成双向DC-DC变换器控制信号，控制混合储能系统充放电抑制直流母 线电压波动。所采用的有限时间无源控制器是通过设计带有分数幂的李雅普诺夫函数，使 由此函数构造的闭环系统能够在有限时间内稳定。
[0042]选用超级电容SC作为短暂功率调节装置，选用蓄电池 Bat作为长期能量存储装置， 结合超级电容和蓄电池作为混合储能系统;超级电容和蓄电池分别通过双向DC-DC变换器 并联到直流母线上，形成能量双向回路；由于受可再生能源输出功率变化和负荷变化等因 素影响，直流母线电压会因此发生波动，可通过对双向DC-DC变换器开关管的控制，控制混 合储能系统的充放电，来平抑直流母线电压波动。
[0043]双向DC-DC变换器为双向半桥变换器拓扑结构，它可以实现能量在输入端和输出 端之间双向传输，功率不仅可以从输入端流向输出端，也能从输出端流向输入端。超级电容 和蓄电池连接在双向DC-DC变换器的输入端，直流母线等效电容C连接在双向DC-DC变换器 的输出端。
[0044] 负荷变化等因素影响可由直流母线输出电流ibus来综合替代，当ibus正方向变化 时，直流母线电压下降，这时控制混合储能装置放电来使直流母线电压稳定；当ib us负方向 变化时，直流母线电压上升，通过对混合储能装置的充电控制来稳定直流母线电压。
[0045] 本发明的具体实施方案如下：
[0046] 1)建立混合储能系统数学模型：
[0047] 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：
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052]其中，ibus为直流母线输出电流，也为负载侧电流，其值随负荷变化而变化;两个双 向DC-DC变换器均采用双向半桥变换器，连接蓄电池变换器由电感Lb和两个不同时导通的 T1J2组成，连接超级电容变换器由电感Lsc和两个不同时导通的T3、T 4组成;αι、α3分别为连接 蓄电池和超级电容变换器中的开关T 1及开关T3的占空比;C为直流母线等效电容，Csc为超级 电容的等效电容;Lsc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；isc、ib为超 级电容和蓄电池充放电电流;￥ 5^、1分别为超级电容电压、蓄电池电压和直流母线电压。 [0053] 2)简化混合储能系统数学模型：
[0054]由于电流调节器调节速度足够快，其所控制的电流isc与ib能够快速的跟踪其参考
[0055] 值：iΛ(；与:iΛ，则is(；=is(/^ib = ib：^将其带入混合储能系统数学模型⑴~⑷中，得：
[0056]
[0057] 其中，AVc = Vc-Vf为母线实际电压与期望电压之间的偏差，V，为母线期望电压 值；AVsc = Vsc-Vsf为超级电容实际电压与期望电压之间的偏差，Vsf为超级电容期望电压 值。
[0058] 3)有限时间无源控制器设计：
[0059] 混合储能系统有限时间无源控制器是运用有限时间控制手段，改进原有无源控制 方法中李雅普诺夫能量函数的选取，引入分数幂，设计一种适合于混合储能系统的带有分 数幂的李雅普诺夫能量函数，并将这种带有分数幂的能量函数应用于互联和阻尼配置的无 源控制方法中，与混合储能系统数学模型进行无源控制匹配，得出使闭环控制系统能够在 有限时间内稳定的超级电容和蓄电池充放电参考电流。针对超级电容和蓄电池混合储能系 统，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，运用有限时间控制理 论，设计一种带有分数幂的李雅普诺夫函数作为能量函数：
[0060]
[0061] 其中，λ为分数幂，其范围为〇<λ<1。
[0062] 根据互联和阻尼无源配置控制等：，结合式（5)(6)及能量函 数(7)可导出如下匹配方程：
[0063]
[0064]
[0065] j、n、r2为控制器参数。
[0066] 由式(8)及(9)推出超级电容与蓄电池充放电参考电流：
[0067]
[0
[0069]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（10)及 (11)简化为：
[0070]
[0071]
[0072]
[0073] 4)电流调节装置设计
[0074] 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：
[0075] Ub = Kpi(ib-ib*) (14)
[0076] Usc = Kp3(isc-isc*) (15)
[0077] 其中Kp3与Kp1为比例调节器放大系数。
[0078] 变换器开关控制律为:开关1\控制律为I-Ub;开关!^控制律为Ub;开关T3控制律为1-Usc ;开关T4控制律为Usc。
[0079 ]为了验证所提出控制方法的有效性，运用MATLAB/ s imu I i nk搭建混合储能系统仿 真模型，系统仿真参数为:蓄电池额定电压为12V，额定容量为20Ah，充放电电流幅值限制为 20A，初始S0C = 70%;超级电容容值为1F，额定电压为15V;连接蓄电池变换器电感Lb = ImH, 连接超级电容变换器电感LSC = 200yH;直流母线等效电容为C = 4mF，其额定电压为50V。
[0080] 混合储能系统有限时间无源控制器为:α = 12，λ = 〇. 68。
[0081] 为了对比控制性能，给出混合储能系统的无源控制器：
[0082]
，相应的控制器参数为W1 = 12。
[0083] 在两种控制方法中，采用相同的电流调节装置以及相同的控制器参数:Κρ1 = 1000， ΚΡ3 = 1000ο
[0084] 通过设置负载电流变化(仿真附图2直流母线负载电流波形图），来对比混合储能 系统在两种不同控制作用下，直流母线电压暂态特性。
[0085] 在仿真附图3直流母线电压启动阶段波形图中，启动阶段(0~0.14s)直流母线电 压在有限时间无源控制下平稳上升，而在无源控制下有较大超调；
[0086] 在仿真附图4直流母线电压启动阶段放大波形图中，直流母线电压(49~51V)在有 限时间无源控制下，能够在有限时间内稳定，其收敛时间为42ms;而在无源控制下，直流母 线电压渐进收敛到50V，收敛时间明显慢于有限时间无源控制方法；
[0087]在仿真附图5直流母线电压0.15s处放大波形图中，负载电流正向变化下，直流母 线电压下降。通过比较得出：有限时间无源控制下，直流母线电压收敛时间为11ms，明显快 于无源控制；同时，有限时间无源控制下直流母线电压波动最低值为49.78V高于无源控制 下的 49.67V;
[0088]在仿真附图6直流母线电压0.25s处放大波形图中，负载电流负向变化下，直流母 线电压上升。通过比较得出：有限时间无源控制下，直流母线电压收敛时间为20ms，明显快 于无源控制；同时，其电压波动范围也小于无源控制。
【主权项】
1. 一种基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法，其特征在于，超级电容 和蓄电池作为混合储能系统，超级电容和蓄电池分别通过各自的双向DC-DC变换器并联到 直流母线上，超级电容SC作为短暂功率调节装置，蓄电池 Bat作为长期能量存储装置，形成 能量双向回路;将直流母线电压、超级电容电压、蓄电池电压及直流母线输出电流信号作为 控制参量，输入到有限时间无源控制器中，经控制器运算，生成超级电容和蓄电池充放电参 考电流;再将两个充放电参考电流信号、超级电容与蓄电池电流信号作为控制参量，输入到 电流调节装置中，经运算处理生成双向DC-DC变换器控制信号，控制混合储能系统充放电抑 制直流母线电压波动;有限时间无源控制器将带有分数幂的能量函数应用于互联和阻尼配 置的无源控制中，并与混合储能系统数学模型进行无源控制匹配，得出使系统在有限时间 内稳定的超级电容和蓄电池充放电参考电流。2. 根据权利要求1所述基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法，其特征 在于，所述有限时间无源控制器设计步骤如下： 1) 建立混合储能系统数学模型并简化： 假设电流调节器调节速度足够快，其所控制的超级电容和蓄电池充放电电流isc与ib能 够快速的跟踪其参考值与Λ，则ise= ise' ib = ib'简化混合储能系统数学模型为：其中，AVc = Vc-Vf为母线实际电压与期望电压之间的偏差，Vf为母线期望电压值；Δ Vsc = Vsc-Vsf为超级电容实际电压与期望电压之间的偏差，Vsf为超级电容期望电压值，ibus 为直流母线输出电流，也为负载侧电流，其值随负荷变化而变化;C为直流母线等效电容，Csc 为超级电容的等效电容;Vb为蓄电池电压； 2) 有限时间无源控制器： 选取带有分数幂的李雅普诺夫函数作为能量函数：其中，λ为分数幂，其范围为0<λ<1; 根据互联和阻尼无源配置控制等式，结合步骤1)混合储能系统数 学模型导出如下匹配方程：Γ2为控制器参数； 由匹配方程推出超级电容与蓄电池充放电参考电流：isc* = r2Csc2 Δ VscA-jCCsc Δ VcA; 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，超级电容与蓄电 池充放电参考电流简化为：isc* = -a Δ VcA, 其中 a = jCCsc>0。3.根据权利要求2所述基于混合储能的直流母线电压有限时间无源控制方法，其特征 在于，所述电流调节装置采用比例调节器，控制超级电容和蓄电池电流快速跟踪电流参考 值，两个比例调节器输入为超级电容与蓄电池充放电的电流与电流参考值的误差，输出为： Ub = Kpi(ib_ib*)， Use - Kp3 ( isc_isc )， 其中KP3与KpA两个比例调节器放大系数， 两个双向DC-DC变换器均采用双向半桥变换器，连接蓄电池变换器由电感Lb和两个不同 时导通的!^、!^组成，连接超级电容变换器由电感LSC和两个不同时导通的T3、T4组成，两个双 向DC-DC变换器开关控制律为:开关^控制律为l-u b;开关^控制律为ub;开关Τ3控制律为1-Usc ;开关Τ4控制律为Use。
【文档编号】H02J15/00GK106058845SQ201610409903
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月13日
【发明人】杨帆, 田雷, 李东东, 林顺富, 边晓燕
【申请人】上海电力学院