一种双向多端口变换器的能量自适应调度控制方法与流程

本发明涉及电力电子，具体涉及一种双向多端口变换器的能量自适应调度控制方法。

背景技术：

1、双向多端口变换器功率调度灵活，适配多种直流输入、用电设备。其常用于连接储能系统、直流输入系统及多种特性的负载系统，被广泛应用于直流微网，光伏系统，飞机、船舶的独立电力系统中。针对双向多端口变换器的控制，现有技术方案一般根据目前电源、负载条件，为不同端口设定不同的控制目标和指令。在端口功率流动方向发生变换时，需要更换端口控制策略，造成装置功率流动发生瞬态波动或需要停机切换运行模式。这对负载的供电稳定性造成了不良影响；且需要人工操作，工况切换反应慢。

技术实现思路

1、为克服现有双向多端口变换器在更换端口控制策略时带来的人为切换缓慢和功率波动的问题，本发明针对各端口的能量流动特性，对各端口基于其实际电压和电流，设计可自适应切换的控制方法，并通过系统总控制器设定各端口参考电压，使各端口控制器可以根据外部电压情况自适应地柔性切换控制方法。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

3、一种双向多端口变换器的能量自适应调度控制方法，该方法用于对双向多端口变换器进行控制，所述方法用于对双向多端口变换器进行控制，所述双向多端口变换器包括双向直流端口、直流输入端口、直流负载端口、储能端口、系统总控制器以及各个端口控制器，各个端口的输出均连接至双向多端口变换器的母线。系统总控制器用于设定各端口的参考电压，各个端口均包括占空比控制单元，使各端口控制器可以根据外部电压情况，通过占空比控制单元控制各个端口电压的占空比，来控制相应端口处dc/dc变换器的占空比，完成自适应切换控制。

4、进一步的，所述双向直流端口采用自适应切换控制环设计，该自适应切换控制环包括电压外环支路一和电压外环支路二，电压外环支路一控制端口电压，电压外环支路二控制母线电压，电流环的输入取两个外环支路输出量的较小值，以实现在端口有源时控制中间母线电压，在端口电压跌落时控制端口电压，双向直流端口的占空比计算方法为：

5、

6、式中d1_b为双向直流端口的占空比，k1i_p是双向直流端口的电流内环比例系数，k1i_i是双向直流端口的电流内环积分系数，i1_ref1、i1_ref2为电流环输入参考值，即d1_b为min{i1_ref1、i1_ref2}经过比例积分器限幅后得到。电流环输入参考值i1_ref1表达式为：

7、

8、式中k1u_p1是双向直流端口电压外环支路一比例系数，k1u_i1是双向直流端口电压外环支路一积分系数，v1_ref为端口电压跌落阈值，v1为端口电压反馈值。电流环输入参考值i1_ref2表达式为：

9、

10、式中k1u_p2是双向直流端口电压外环支路二比例系数，k1u_i2是双向直流端口电压外环支路二积分系数，u1in是外环支路二电压环输入,其表达式为：

11、u1in＝vb_ref-k11i1-k12(v1_ref-v1)-vb

12、式中vb_ref为母线电压参考值,i1是双向直流端口母线侧电流反馈值,vb是母线压反馈值,k11和k12为双向直流端口下垂系数。

13、双向直流端口自适应切换控制环的控制策略中，对比例积分调节器进行限幅，可以加速自适应切换控制环速度，加快系统反应速度。

14、进一步的，所述直流负载端口，基于直流负载端口电流参考值、直流负载端口的端口电流反馈值，对所述直流负载端口进行控制，所述直流负载端口的占空比计算方式为：

15、

16、式中d3_b是直流负载端口的开关管占空比，k3i_p是直流负载端口电流内环比例系数，k3i_i是直流负载端口电流内环积分系数，i3l_ref为直流负载端口电流参考值，i3l为直流负载端口的端口电流反馈值。其中电流参考值i3l_ref为

17、

18、式中k3u_p是直流负载端口电压外环比例系数，k3u_i是直流负载端口电压外环积分系数，v3_ref为直流负载端口的端口电压参考值，v3为直流负载端口的端口电压反馈值。

19、进一步的，所述直流输入端口采用带下垂特性的电压电流双闭环控制环设计，所述直流输入端口的占空比计算方式为：

20、

21、式中d2_b为直流输入端口的开关管占空比，i2_ref为直流输入端口电流参考值，i2为直流输入端口母线侧电流反馈值，k2i_p是直流输入端口电流内环比例系数，k2i_i是直流输入端口电流内环积分系数。电流参考值i2l_ref为

22、

23、式中vb_ref1为母线电压参考值，i2为直流输入端口母线侧电流反馈值，vb为母线电压反馈值，k2为直流输入端口下垂系数，k2u_p是直流输入端口电压外环比例系数，k2u_i是直流输入端口电压外环积分系数。

24、进一步的，所述储能端口采用自适应切换控制环设计，该自适应切换控制环包括电压外环支路一和电压外环支路二，电压外环支路一控制母线电压，电压外环支路二控制电池状态，电流环的输入取外环支路一和二输出量的较大值，以实现当中间母线电压跌落时，控制母线电压，中间母线有其他源输入功率时，控制电池状态，其控制方法表达式为：

25、

26、式中d4_b为储能端口的开关管占空比，k4i_p是储能端口电流内环比例系数，k4i_i是储能端口电流内环积分系数，i4_ref1为外环支路一电流环输入参考值，i4_ref2为外环支路二电流环输入参考值，即d4_b为max{i4_ref1、i4_ref2}经过比例积分器限幅后得到。外环支路一电流环输入参考值i4_ref1的表达式为：

27、

28、式中k4u_p1是储能端口外环支路一比例系数，k4u_i1是储能端口外环支路一积分系数，vb_ref为储能端口设定的电压跌落阈值，vb为储能端口电压反馈值。外环支路二电流环输入参考值i4_ref2的表达式为：

29、

30、式中k4u_p2是储能端口外环支路二比例系数，k4u_i2是储能端口外环支路二积分系数，i4in为外环输入，

31、i4in＝icref-k4(vb_ref-vb)-ic

32、式中ic_ref1为电池所需的充(放)电电流，(vb_ref-vb)为中间母线电压偏差值，ic为电感电流反馈值，k4为储能端口下垂系数。

33、通过上述公式，本发明的储能端口自适应切换控制环的控制方法中，对比例积分调节器进行限幅，可以加速自适应切换控制环速度，加快系统反应速度。

34、进一步的，所述系统总控制器采用自适应调度各端口功率的设计，各端口电压参考值由系统母线最大电压、系统母线最小电压、端口电压设定值共同决定，实现在系统输入输出无法平衡导致的系统母线过压或欠压时，通过调整各端口电压参考值对系统功率进行平衡；同时其可以改变各端口电压参考以调整系统运行工况，其控制方法表达式为：

35、v1_ref＝v1_max+v1_min-v1_set-δv1

36、式中v1_ref为双向直流端口1参考值，v1-max为是母线电压超上限后的端口参考提高量，v1-min为母线电压低于下限后端口电压的参考减小量，v1-set为端口电压设定值，v1_set为端口电压设定值(可手动设置或随工况调整)

37、

38、

39、式中k1_p1是比例系数，k1_i1是积分系数，k1_p2是比例系数，k1_i2是积分系数，vb_max为系统母线最大电压，vb_min为系统母线最小电压。

40、在端口控制过程中，需要对各端口的实际电压和电流进行采样，电压电流采集点位为将dc/dc变换器等效为二端口网络后的端口电压和端口电流。

41、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

42、(1)针对直流负载端口本发明设计了独特的基于占空比调节的控制方法，可以快速稳定控制输出端口电压；

43、(2)针对直流输入端口设计了带下垂特性的双环控制环，该控制环可以快速稳定控制装置公共母线电压，在多源输入时可以利用控制环下垂特性分配输入功率。

44、(3)针对双向直流端口设计了自适应切换控制环，该控制环通过监测输出电压和母线电压，基于各端口实际电压、参考电压情况等自适应地判断目前端口处于负载状态或是源状态，并自动输出平滑改变的电流内环参考值实现端口控制环的平滑切换。该控制环在控制母线电压时，同样具备下垂特性，解决了传统控制策略中双向端口切换控制策略缓慢及切换过程中功率波动的问题。

45、(4)针对储能端口设计了维持系统功率平衡的自适应切换控制环，该控制环通过监测储能系统电流及母线电压，自适应地判断目前系统状态下储能系统应处于储能电流控制或是系统母线控制。该控制环在控制母线电压时，同样具备下垂特性，并且可在系统电压骤降时自动切换平滑地切换到母线控制，实现系统稳态、动态功率平衡。

46、(5)针对多变、极端的工况，设计了系统控制器自适应调度各端口功率。通过自适应调整各端口参考电压使系统无需人为干涉即可在严重的功率不平衡极端工况下持续运行。