一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法与流程

本发明涉及直流配电网络控制领域，尤其涉及一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法。

背景技术：

由于石油、煤炭等不可再生能源的日益匮乏，人们越来越关注可再生能源的发展，越来越多的分布式电源技术也相继涌现出来。混合储能系统复合功率控制方法的性能优劣直接影响直流微电网的运行特性，这使得混合储能系统复合功率控制方法成为当前研究的重点与热点之一。模型预测控制(modelpredictivecontrol，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。目前直流微电网内对电流已采用分层结构进行补偿控制，但是对dc/dc变换器的输入控制量的研究主要集中在传统方法的基础之上，以该方法为基础的混合储能变换器控制策略是当前研究重点。基于传统方法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，但天然存在着些许不足：鲁棒性较差，容易振荡及控制量饱和等缺陷。

本发明的思想就是针对传统方法的不足，提出一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明公开了一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法，通过下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq及下一采样周期超级电容的期望电流icapreq分别经过一个二阶跟踪平滑预处理器获取下一采样周期蓄电池或超级电容的期望电流的跟踪值vx1及跟踪趋势vx2，通过无传感器状态观测器sleso获取蓄电池及超级电容当前采样周期内的实际电流ix的反馈值zx1、变化趋势zx2及系统扰动zx3和控制量ux的对应关系，接着利用基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx快速收敛求解蓄电池及超级电容的变换器控制量ux，最后根据控制量ux对dc/dc变换器进行控制输出下一采样周期的实际电流ix，实现了实际总电流itotal逼近期望电流itotalreq，上述控制过程均是基于蓄电池的荷电状态正常的条件下进行，解决了传统控制鲁棒性较差、容易振荡及控制量饱和的问题。

为了实现以上目的，本发明采取的一种技术方案是：

一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法，包含以下步骤：

s1：获得直流母线侧下一采样周期总期望电流itotalreq，获取下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq及下一采样周期超级电容的期望电流icapreq；

s2：建立两个二阶跟踪平滑预处理器y(vx1,vx2)＝sontd(ixreq)求取期望电流的跟踪值vx1及跟踪趋势vx2，所述二阶跟踪平滑预处理器定义为：

其中x∈{batt,cap}，rx为正实数，ixreq表示下一采样周期蓄电池或超级电容的期望电流，作为二阶跟踪平滑处理器的输入值，vx1表示蓄电池或超级电容的期望电流的跟踪值，vx2表示蓄电池或超级电容的期望电流的跟踪趋势；

s3：建立无传感器状态观测器sleso，根据当前采样周期蓄电池或超级电容的实际电流ix及控制量ux，求取蓄电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的反馈值zx1、变化趋势zx2及系统扰动zx3和控制量ux的对应关系，其中x∈{batt,cap}；

s4：建立高鲁棒控制器nlrc并结合系统扰动zx3求解控制量ux，即利用基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx快速收敛求解蓄电池及超级电容的变换器控制量ux，其中，x∈{batt,cap}；

s5：根据控制量ux对dc/dc变换器进行控制输出下一采样周期的实际电流ix，从而得到下一采样周期的实际总电流itotal＝ibatt*ubatt+icap*ucap；

s6：获取蓄电池的荷电状态(soc)，判断荷电状态(soc)是否在正常工作范围以内：

若是，进入步骤s1；若不是，发送停机信号，断开蓄电池侧所有负载。

进一步地，步骤s1包含以下步骤：

s11：根据直流母线侧的下一采样周期需求功率ptotalreq，求取下一采样周期总期望电流itotalreq，所述itotalreq求取公式定义为：

式中，vbus为直流母线电压；

s12：利用高频滤波器获得总期望电流itotalreq的高频分量ihreq，从而获得总期望电流itotalreq的低频分量ilreq＝itotalreq-ihreq。

s13：根据超级电容预设的稳定端电压vcapref，利用蓄电池为超级电容提供稳压电流控制量ibc，形成超级电容的自稳压策略sbvc，所述自稳压策略控制量ibc求取公式定义为：

式中，vcap为超级电容的端电压瞬时值，k1和k2为正实数，t为一个采样周期；

s14：求取下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq，所述ibattreq求取公式定义为：

式中，为蓄电池变换器占空比，为超级电容变换器占空比，vbatt为蓄电池的电压值；

s15：求取下一采样周期超级电容的期望电流icapreq，所述icapreq求取公式定义为：

进一步地，所述步骤s3中的蓄电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的反馈值zx1及其微分值求取方程定义为：

在所述无传感器状态观测器下，电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的变化趋势zx2及其微分值系统扰动zx3及其微分值的求取方程定义为：

式中，β1、β2、β3、c1、c2、δ、b为正实数，fal()为幂次函数其表达式如下：

式中，δ和c为正实数，sgn()为符号函数。

进一步地，步骤s4包含如下步骤：

s41：获取蓄电池和超级电容下一采样周期的期望电流的跟踪值vx1与蓄电池和超级电容当前采样周期的实际电流的反馈值zx1的偏差ex1、蓄电池和超级电容下一采样周期的期望电流的跟踪趋势vx2与蓄电池和超级电容当前采样周期的实际电流的变化趋势zx2的微分偏差ex2，所述ex1及ex2的求取公式定义为：

s42：建立高鲁棒控制器nlrc，即构造基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx，所述sx定义式为：简化后式中，a1和a2满足0＜a1＜1＜a2＜2；

s43：考虑系统扰动zx3,利用非线性趋近函数来逼近渐进鲁棒状态函数的一阶导数求取控制量ux，所述非线性趋近函数为：

从而ux＝-b^-1[ρ(ex2)^-1(ex2+ksx+εsgn(sx))+zx3]，式中k和ε为正实数，ρ(ex2)表达式为：

进一步地，其特征在于，所述蓄电池的荷电状态(soc)利用无迹卡尔曼滤波器(ukf)获取。本发明的有益效果在于：

(1)根据蓄电池功率密度低和超级电容功率密度高特性，采用期望电流itotalreq分层控制dc/dc变换器进行控制输出电流itotal，功能结构明晰，响应速度快，补偿效果好；

(2)针对超级电容充放电端电压波动频繁的问题，采用了超级电容自稳压策略sbvc，通过蓄电池提供稳压补给电流，无需额外的稳压电源，结构简单，自稳压性能优秀；

(3)下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq及下一采样周期超级电容的期望电流icapreq分别经过二阶跟踪平滑预处理器sontd预处理，提高了期望电流ibattreq及icapreq的平滑度，通过无传感器状态观测器sleso获取蓄电池及超级电容的实际电流ix的反馈值zx1、变化趋势zx2及系统扰动zx3和控制量ux的对应关系，减少了硬件传感器的投入，降低了成本，引入了多状态量，提高了控制的柔和度，增强了控制的鲁棒性。

(4)利用基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx快速收敛求解蓄电池及超级电容的变换器控制量ux，引入了偏差、偏差微分、非线性收敛状态变量等状态量，确保柔和趋近，稳态无误差；此外，本发明非线性程度高，还引入了幂次函数、倒数和非整数幂等运算，确保收敛快，鲁棒性强。

附图说明

图1为本发明一实施例中提供的一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法的流程图；

图2为本发明一实施例中提供的混合储能系统电路图；

图3为本发明一实施例中提供的安装于母线侧高通滤波器；

图4为本发明一实施例中提供的阶跃型总期望电流itotalreq对应的的超级电容的期望电流icapreq及实际电流icap的仿真图；

图5为本发明一实施例中提供的阶跃型总期望电流itotalreq对应的蓄电池的期望电流ibattreq及实际电流ibatt的仿真图；

图6为本发明一实施例中提供的阶跃型总期望电流itotalreq对应的实际总电流itotal的仿真图；

图7为本发明一实施例中提供的随机扰动型总期望电流itotalreq对应的超级电容的期望电流icapreq及实际电流icap的仿真图；

图8为本发明一实施例中提供的随机扰动型总期望电流itotalreq对应的蓄电池的期望电流ibattreq及实际电流ibatt的仿真图；

图9为本发明一实施例中提供的随机扰动型总期望电流itotalreq对应的实际总电流itotal的仿真图。

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的一种高鲁棒自稳定型混合储能系统复合功率控制方法，如图1所示包含以下步骤：

s1：获得直流母线侧下一采样周期总期望电流itotalreq，获取下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq及下一采样周期超级电容的期望电流icapreq；所述蓄电池下一采样周期的期望电流ibattreq及超级电容下一采样周期的期望电流icapreq可以通过将下一采样周期的总期望电流itotalreq通过高通滤波器及相减器获得；

s2：建立两个二阶跟踪平滑预处理器y(vx1,vx2)＝sontd(ixreq)求取期望电流的跟踪值vx1及跟踪趋势vx2，所述二阶跟踪平滑预处理器定义为：

其中x∈{batt,cap}，rx为正实数，ixreq表示下一采样周期蓄电池或超级电容的期望电流，作为二阶跟踪平滑处理器的输入值，vx1表示蓄电池或超级电容的期望电流的跟踪值，vx2表示蓄电池或超级电容的期望电流的跟踪趋势；

s3：建立无传感器状态观测器sleso，根据当前采样周期蓄电池或超级电容的实际电流ix及控制量ux，求取蓄电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的反馈值zx1、变化趋势zx2及系统扰动zx3和控制量ux的对应关系，其中x∈{batt,cap}；

s4：建立高鲁棒控制器nlrc并结合系统扰动zx3求解控制量ux，即等效于利用基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx快速收敛求解蓄电池及超级电容的变换器控制量ux，其中，x∈{batt,cap}；

s5：根据控制量ux对dc/dc变换器进行控制输出下一采样周期的实际电流ix，从而得到下一采样周期的实际总电流itotal＝ibatt*ubatt+icap*ucap；

s6：根据无迹卡尔曼滤波(ukf)对蓄电池的荷电状态(soc)进行估计，可选地，所述蓄电池的荷电状态(soc)利用无迹卡尔曼滤波器(ukf)获取判断荷电状态(soc)是否在正常工作范围以内：

若是，进入步骤s1；若不是，发送停机信号，断开蓄电池侧所有负载。

如图3所示，步骤s1包含以下步骤：

s11：根据直流母线侧的下一采样周期需求功率ptotalreq，求取下一采样周期总期望电流itotalreq，所述itotalreq求取公式定义为：

式中，vbus为直流母线电压；

s12：利用高频滤波器获得总期望电流itotalreq的高频分量ihreq，从而获得总期望电流itotalreq的低频分量ilreq＝itotalreq-ihreq。

s13：根据超级电容预设的稳定端电压vcapref，利用蓄电池为超级电容提供稳压电流控制量ibc，形成超级电容的自稳压策略sbvc，所述自稳压策略控制量ibc求取公式定义为：

式中，vcap为超级电容的端电压瞬时值，k1和k2为正实数，t为一个采样周期；

s14：求取下一采样周期蓄电池的期望电流ibattreq，所述ibattreq求取公式定义为：

式中，为蓄电池变换器占空比，为超级电容变换器占空比，vbatt为蓄电池的电压值；

s15：求取下一采样周期超级电容的期望电流icapreq，所述icapreq求取公式定义为：

在图2中，超级电容对应的currentcontroller(电流控制器)的输入端为下一采样周期的期望电流icapreq及当前采样周期的实际电流icap，输出超级电容变换器pwm的控制量ucap，pwm及2个控制开关t3及t4即所述dc/dc变换器，控制量ucap经过dc/dc变换器输出下一采样周期的实际电流icap，实现下一采样周期的实际电流icap逼近期望电流icapreq；蓄电池对应的currentcontroller(电流控制器)的输入端为下一采样周期的期望电流ibattreq及当前采样周期的实际电流ibatt，输出超级电容变换器pwm的控制量ubatt，pwm及2个控制开关t3及t4即所述dc/dc变换器，控制量ucap经过dc/dc变换器输出下一采样周期的实际电流ibatt，实现下一采样周期的实际电流ibatt逼近期望电流ibatt，最终在一个采样周期完成后实现母线侧下一采样周期的实际电流itotal＝ibatt*ubatt+icap*ucap逼近总期望电流itotalreq。

在图3中，二阶压控型有源高通滤波器安装于直流母线侧，用于滤除高次谐波等误差，并分配期望电流itotalreq的高频分量ihreq及低频分量ilreq。根据放大器虚短和虚断特性，选取h和j两点列kcl方程组，方程组定义为

式中电容值c1＝c2＝c0，得到二阶高通滤波传递函数：

取通带增益aup＝1+rn/rm，品质因数q＝|3-aup|-1，截止频率fp＝(2πrtc0)^-1，s＝jω，ω＝2f，则上式可重写为

由于采用二阶高通滤波，在外部信号频率f＜＜fp时，其幅频特性曲线按40db/dec的斜率衰减，选取品质因数q＝0.8，截止频率fp＝159hz，通带增益为aup＝1.75，rt＝1kω，rm＝4kωrn＝3kω，c1＝c2＝c0＝1μf，计算输入输出的传递函数ghp(s)。

进一步地，所述步骤s3中的蓄电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的反馈值zx1及其微分值求取方程定义为：

所述电池及超级电容当前采样周期内的实际电流的变化趋势zx2及其微分值系统扰动zx3及其微分值的求取方程定义为：式中，β1、β2、β3、c1、c2、δ、b为正实数，fal()为幂次函数其表达式如下：

式中，δ和c为正实数，sgn()为符号函数。

进一步地，步骤s4包含如下步骤：

s41：获取蓄电池和超级电容下一采样周期的期望电流的跟踪值vx1与蓄电池和超级电容当前采样周期的实际电流的反馈值zx1的偏差ex1、蓄电池和超级电容下一采样周期的期望电流的跟踪趋势vx2与蓄电池和超级电容当前采样周期的实际电流的变化趋势zx2的微分偏差ex2，所述ex1及ex2的求取公式定义为：

s42：建立高鲁棒控制器nlrc，即构造基于偏差ex1和微分偏差ex2的渐进鲁棒状态函数sx，所述sx定义式为：根据当前值远离期望值时，系统快速追踪当前值趋近期望值，此时微分偏差ex2较大，对渐进鲁棒状态函数sx简得到简化后

式中，a1和a2满足0＜a1＜1＜a2＜2；

s43：考虑系统扰动zx3,利用非线性趋近函数来逼近渐进鲁棒状态函数的一阶导数求取控制量ux，所述非线性趋近函数为：

对公式5求导后代入公式6，公式5求导涉及的利用公式1、2、3、4代入，从而ux＝-b^-1[ρ(ex2)^-1(ex2+ksx+εsgn(sx))+zx3]，式中k和ε为正实数，ρ(ex2)表达式为：

在本实施中，参数选取如下：图2中线路电感lb＝lc＝0.56mh，线路电阻rb＝rc＝0.1ω,滤波电容c＝30μf,蓄电池电压vbatt＝72v,直流母线侧电压vbus＝220v，超级电电压容vcap＝50v；

二阶压控型有源高通滤波器rt＝1kω，rm＝4kω，rn＝3kω，c1＝c2＝c0＝1μf；

超级电容端电压sbvc控制器参数为：k1＝1，k2＝10；

无传感器状态观测器sleso的控制参数为：rx＝200；

非奇异终端滑模自抗扰控制器参数为：β1＝100、β2＝300、β3＝100000、c1＝0.5、c2＝0.25、k＝14、ε＝0.00001、δ＝0.01、b＝1000，a1＝0.95，a2＝1.02；

超级电容的期望电流icapreq及实际电流icap、蓄电池的期望电流ibattreq及实际电流ibatt、母线侧总期望电流itotalreq及实际电流itotal的仿真图如图4至图6所示，如图6所示，母线侧总期望电流itotalreq及实际总电流itotal已实现逼近。

在图7、图8及图9中，所需参数和前述参数相同，但此时总期望电流itotalreq采用随机扰动电流，由图中可知实际总电流itotal逼近总期望电流itotalreq，控制鲁棒性较强。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。