分数阶虚拟惯量预测控制电池测试直流微网电压稳定方法技术

分数阶虚拟惯量预测控制电池测试直流微网电压稳定方法。本发明专利技术为了克服由动力电池测试系统构成的直流微电网情况下的电池充放电导致直流母线电压波动问题，采用分数阶模型预测虚拟惯性控制策略(FO

【技术实现步骤摘要】
分数阶虚拟惯量预测控制电池测试直流微网电压稳定方法


[0001]本专利技术属于由动力电池测试系统构成的微电网领域，具体涉及一种电池充放电测试双向DC
‑
DC变换器和一种适用于L型双向DC
‑
AC变换器的分数阶模型预测虚拟惯性控制(FO
‑
MPC
‑
VIC)方法。

技术介绍

[0002]蓄电池组测试系统(PABTS)已被广泛用于评估动力电池组的性能和可靠性，在电动汽车中发挥着重要作用。然而，如果没有节能技术，大部分的测试能量将被浪费掉。
[0003]为了避免不必要的能量浪费，提出了基于能量回收蓄电池测试系统的直流微网，如图1所示。它包括电池测试单元及其控制系统、双向并网变流器(BGCC)和通信总线。在提出的直流微电网中，电池的充放电测试可以通过双向DC
‑
DC转换器来实现。BGCC用于从交流电网中回收或吸收能量，以便将直流母线电压保持在预定值内。
[0004]与传统的基于蓄电池测试系统的交流微电网不同。所提出的直流微电网不需要每个测试单元都要一个DC
‑
AC转换器，这大大减少了转换器数量，更节省了成本、提高了转换效率。在提出的电池测试直流微网中，直流母线电压用于评估系统稳定性。然而，电池的频繁充放电容易引起直流母线电压的功率波动，威胁系统的稳定性。因此，稳定直流微电网的直流母线电压尤为重要。
[0005]与交流微电网类似，基于电力电子的直流微电网具有非常小的惯性。目前关于基于蓄电池测试系统的直流微电网稳定性的文献不多，其分析方法可参考交流微电网。作为最流行的功率波动平滑方法之一，惯性控制得到了广泛的应用，通常包括储能系统(ESS)和应用虚拟惯性控制(VIC)的功率变换器。由于ESS体积大、成本高，因此不能适用于电池测试微网领域，因此采用并网型电池测试微网系统是最优方案。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的在于优化由蓄电池测试系统构成的直流微电网中的直流母线电压，提供一种根据微电网电压波动的瞬态来实时补偿VIC中的虚拟参考电流指令值，从而达到直流母线电压波动的抑制。
[0007]为了实现上述的目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0008]图2为蓄电池测试系统的直流微电网简化框图，由多个电池测试单元、双向DC
‑
DC变换器、直流母线电容、双向DC
‑
AC并网变换器和L型滤波器组成。
[0009]提出的基于蓄电池测试系统的直流微电网不需要额外的储能系统来提供惯性支持，其惯性支持来自VIC和交流电网。系统的稳定运行需要BGCC的支持。当DC
‑
MG由于蓄电池充放电测试而出现功率波动时，BGCC可以通过虚拟惯性控制策略从电网吸收或释放功率，以保持直流母线电压稳定。
[0010]外环控制采用虚拟惯性控制策略，内环为电流控制。虚拟惯性控制是通过引入虚拟电容器来模拟了同步发电机的P
‑
f下垂控制，这里是电压和电流的I
‑
U下垂；用虚拟电容
模拟了同步发电机的惯性系数J，这里用C
vir
表示；同时模拟同步发电机的阻尼特性，这里用电流阻尼系数k
D
表示。因此虚拟惯性控制可以表示为
[0011]其中k
d
表示下垂系数，且u0表示额定电压，u
dc
直流母线电压，i0表示直流母线电流，表示虚拟电压参考。
[0012]图2中dq坐标系中双向变换器BGGC的数学模型可以表示为其中i
d
和i
q
、e
d
和e
q
表示dq坐标系中的电感电流和端电压。u
d
和u
q
表dq坐标中的电网电压。
[0013]电流内环的方程表示为其中G1(s)＝k
p1
+k
i1
/s是内环中的PI电流控制器。和分别是i
d
和i
q
的参考电流。
[0014]忽略功率晶体管的功率损耗，可以获得BGCC输入和输出的功率平衡。
[0015]为了推导出BGCC的小信号模型，将状态变量重写为具有小扰动的稳态变量之和，即i0＝I0+Δi0，u
d
＝U
d
+Δu
d
，u
dc
＝U
dc
+Δu
dc
。假设BGCC以单位功率因数运行，即i
q
＝0,u
q
＝0。进行式一到式四的小信号线性化，得到VIC的小信号模型为：
[0016]基于上述的模型，得到如图3所示的VIC的小信号模型。同时根据图3求出Δu
dc
(s)到
‑
Δi0(s)的闭环传递函数T
c
其中G
v
(s)＝1/(G
vir
s+k
D
)andG
c
(s)＝(K
PWM
G
1b
(s)G2(s)G
a
(s))/(K
PWM
G1(s)+Ls+r)
[0017]根据式六画出极点分布图，其结果展现在图4中。当C
vir
从0到1不断变化时，一共有五个极点，其中三个偏离虚轴太远图中没有显示。可以看出，随着虚拟电容的增加，最右边的极点逐渐远离虚轴，这个变化的极点远离其他极点，且靠近虚轴，因此它是主导极点。这种情况下可以用一阶惯性环节来描述这个高阶系统，因此T
c
可以近似为
[0018]传统的一阶惯性环节相比于分数阶惯性环节有较低的相位裕度和幅值裕度，较低
的稳定性不利于系统在频繁的干扰条件下运行；并且由于分数阶惯性环节中引入分数阶阶次的自由度，使得系统更加灵活。因此，为改善系统动态性能，提出分数阶描述惯性环节；式七可以表示为其中λ代表了分数阶阶次，图5展现了式八的分数阶系统伯德图，可以看到当λ＝1时为式七中的一阶惯性环节。当λ<1时，分数阶对应的幅频特性曲线斜率小于一阶惯性环节，说明分数阶环节有更好的稳定性和响应速度，同时有更大的相位裕度。
[0019]在直流微电网中，不同的λ最终反映在直流母线电压波动中。因此，为了选择合适的λ，进行了MATLAB/Simulink验证测试。假设初始状态定义为电流为0.16s时的放电测试，参数规格见表I和表II。在FO
‑
VIC控制下选择不同的分数阶数，结果如图6所示。当λ＝0.6时，系统直流母线电压波动较小，并作为FO
‑
VIC控制器的分数阶阶次。
[0020]图7展示了本专利技术的总体控制策略，除了上述描述的VIC控制，图中还增加了分数阶的模型预测控制器。由于传统的VIC控制中虚拟参考电流恒定，当出现直流母线电压波动时无法调动储能系统本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于电池测试系统的直流微电网电压稳定控制的分数阶模型预测虚拟惯性控制方法。其特征在于，所述方法包括：由动力电池测试系统构成的直流微网，由于直流电容容量有限，呈现低惯性，蓄电池的充放电测试容易引起直流母线电压波动，危及系统的稳定性。为了提高系统的惯性，同时获得良好稳定性，提出一种分数阶模型预测的虚拟惯性控制策略(FO
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MPC
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VIC)；首先，为获得足够的惯性支持，采用虚拟电容来增加惯性，模拟同步发电机特性，提出虚拟惯性控制；然后用分数阶虚拟惯性环节代替传统一阶惯性环节，大大提高了系统的稳定性；通过分数阶模型预测控制器，提出虚拟直流电流补偿方法，实现在直流母线电压波动的情况下实时改变虚拟惯性控制(VIC)中的虚拟参考电流，进一步增大系统惯性，达到抑制直流母线电压波动的目的。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池测试直流微网系统电压波动调节能力提高的FO
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MPC
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VIC方法包括：采用分数阶的虚拟惯性控制作为最基本的控制策略...

【专利技术属性】
技术研发人员：龙波，曾伟，陆鹏杰，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：