电池测试节能直流微网模型预测虚拟惯量电压稳定方法技术

电池测试节能直流微网模型预测虚拟惯量电压稳定方法。本发明专利技术主要应用在由动力电池组测试系统组成的直流微电网，克服了由于电池测试过程中频繁充放电带来的直流母线电压波动过大的问题。通过添加虚拟电容引入虚拟惯量控制，同时结合模型预测控制，通过模型预测控制器预测并计算最优的参考电流补偿量，然后叠加到虚拟惯性控制中的虚拟参考电流，进一步抑制直流母线电压波动。最后投入到使用电压电流的双闭环控制的L型双向AC

【技术实现步骤摘要】
电池测试节能直流微网模型预测虚拟惯量电压稳定方法


[0001]本专利技术属于由能量回收电池测试系统构成的直流微电网领域，具体涉及一种适用于L型AC/DC双向变换器的模型预测虚拟惯性控制的直流母线电压波动抑制方法。

技术介绍

[0002]现目前，电动汽车的快速发展，电池的性能和寿命直接影响电动汽车的大规模产业化。评估电动汽车的电池性能已经成为关键的电池技术问题。目前，蓄电池测试系统广泛应用于评估动力电池组的特性，已经成为电动汽车行业不可或缺的重要部分。
[0003]当前的动力电池组测试系统放电方式包括两种：电阻耗能式放电和能量回收并网放电。为了避免能量的大量浪费，本专利技术主要研究对象为由动力电池组测试系统构成的直流微电网。电池充放电测试通过DC
‑
DC变换器实现，其释放能量输出到直流微网，然后通过双向DC
‑
AC变换器连接到电网，将测试能量回馈到电网，从而实现测试节能的目的。
[0004]图1中展示了由动力电池测试系统组成的直流微电网，其由许多并联的电池测试单元、DC
‑
DC变换器、直流电容、和双向DC
‑
AC变换器等组成。其中，多个独立动力电池组测试单元通过DC
‑
DC变换器与直流母线连接，直流母线通过一个双向变换器与交流电网相连，大大简化了电路拓扑，节约了成本。由于双向变换器的存在，动力电池测试系统不仅可以实现放电测试过程的放电并网，同时可以实现动力电池组的充放电性能测试。
[0005]由于相对独立的动力电池组测试单元，它们进行充电或者放电测试的过程并不一定一致，并且电池功率也有差别，当出现不同的电池测试加入直流微网时，这会引起直流微网功率波动，尽管直流母线电容在一定程度上可以吸收或释放功率来抑制波动，但它的容量是有限的。因此，直流母线将由于缺乏惯性而导致直流母线电压波动，严重的电压跌落或者超调威胁系统的稳定，危害其他器件和交流电网。因此，在保证稳定的情况下进行动力电池组的充放电测试尤为重要。

技术实现思路

[0006]本专利技术目的是提出一种虚拟惯量控制(virtual inertia control(VIC))和模型预测控制(model predictive control(MPC))相结合的方法，为由动力电池测试系统构成的直流微网提供惯性，通过多步预测，提供最优的补偿电流，抑制直流母线电压波动，增强系统稳定性。
[0007]为了实现上述的目的，本专利技术采用如下技术方案。
[0008]首先通过引入虚拟电容C
vir
来增加直流微网的惯性，图2和3分别表示了直流微电网的简化模型和虚拟电容的功率变化，经过推导可以得到虚拟电流的变化量Δi其中，为虚拟电压参考，为虚拟电流参考，i0为双向变换器输出电流。
[0009]同时模拟了同步发电机的阻尼特性，得到虚拟惯性控制方程
其中，k
D
为阻尼系数，u0为额定电压。当直流母线由于充放电而引起功率波动时，由于虚拟惯性电容C
vir
的存在，变换器通过吸收和释放有功功率的来阻止直流母线电压的变化，同时阻尼系数k
D
进一步抑制电压的振荡。
[0010]通常情况下虚拟电流参考为一个固定参考值，当出现功率波动时，固定的虚拟电流参考无法维持母线的功率的恒定而导致直流母线电压的波动。因此，本专利技术中MPC控制器根据外部变化情况计算最优的补偿电流Δi
dc
，然后将其叠加到VIC的虚拟参考电流中，实时调节虚拟惯性控制的输入量，增强系统抑制直流母线电压波动的能力，其控制框图如图4所示。
[0011]模型预测控制器通过式二中虚拟惯性控制方程建立状态空间模型，为消除积分项引起的静态误差，改写成为离散增量形式其中Δu(k+1)是控制输出，表示直流母线电压的变化，同时，直流母线电压变化为Δu(k)，虚拟电流参考变化为以及直流母线电流变化可写为Δi0(k)，A、B
u
、B
d
分别表示系统状态方程中的参数矩阵。
[0012]考虑到计算精度和计算时间，进行三步迭代预测算法。因此电压的预测方程可以表示为其中，Y3(k+1|k)为在k时刻系统三步预测的输出，为控制量增量序列，作为MPC的输入独立变量，S
A
、I、S
u
、S
d
分别为系数矩阵。
[0013]直流微电网的变换器的目标是恒定直流母线电压，当动力电池组放电功率增大时应向电网释放能量，当动力电池组充电功率增大时应向电网吸收能量，同时应该为功率波动提供惯性。当直流母线电压出现波动时，MPC控制器能在三步预测范围内寻找最优的补偿电流，平滑母线电压波动。因此，考虑到直流母线电压和参考电流变化，成本函数设计为其中，λ1和λ2表示电压变化和电流变化的权重系数。此外，Δu(k+i|k)和分别表示k时刻电压和电流的误差，前者的作用是使电压尽快恢复，后者的主要作用是尽可能减少VIC的出力成本。
[0014]由于微网直流母线电压的变化应该限制在一定范围内，因此这是一个带约束的MPC问题，可以将其描述为：
[0015]为求解式六，可以将其转化为二次规划(QP)问题。应将成本函数转化为二次标准型(z
T
Hz
‑
g
T
z)，同时将控制量约束改写成Cz≥b的线性标准形式，首先定义中间变量
[0016]可以将成本函数式五改写成
[0017]因为与独立变量电流变化量无关，所以对问题的优化而言，上式等价于：
[0018]然后将电压约束转化为Cz≥b的线性标准形式：
[0019]于是带电压变化量约束的MPC优化问题转化为如下的QP问题描述：
[0020]本专利技术中的MPC控制器的输入为直流母线电压电流采样值，通过上述QP问题的求解，最终求解出使电压波动最小并且MPC输出成本最低的虚拟参考电流增量序列：
[0021]然后将这个有的虚拟电流增量叠加虚拟惯性控制中的虚拟电流参考值中其中i
vic
(k)为最终的虚拟电流参考值。整个系统如图4所示，通过引入虚拟电容而提出的VIC控制，为系统瞬态过程提供惯性支撑，抑制直流母线电压的波动。此外，MPC控制器通过检测系统电压的变化，基于系统预测模型，预测出系统在电压波动情况下需要的补偿电流Δi
dc
(k)，结果增强了VIC的电压波动的抑制能力。
[0022]由于上述技术方案的运用，因此，本专利技术具有如下特点1、本专利技术采用双向DC
‑
AC变换器的虚拟控制技术，为系统提供了惯性和阻尼，该技术能够为直流微电网瞬态响应提供惯性支撑，并抑制直流总线电压的波动。有利于电池充放电系统的频繁充电和放电测试。
2、本专利技术采用了模型预测控制器来改变虚拟惯性控制的参考电流，MPC根据直流母线电压和电流变化情况在有限的预测步长中计算最佳的补偿参考电流增量，从而扩大了虚拟惯性控制抑制本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种由动力电池组测试系统构成的直流微电网中直流母线电压稳定方法，其特征在于，所述方法包括：采用电压外环电流内环的双闭环控制技术，同时使用双向并网变换器进行直流母线和交流电网功率的双向流动，保证直流母线电压的稳定。由于直流母线上的电容容量有限，当出现直流母线功率波动时，直流电容无法提供足够的能量补偿，导致直流母线电压波动，危害系统的稳定性。为了给直流微电网提供足够的惯性来抑制直流母线电压的波动，提出和模型预测控制相结合的虚拟惯性控制方法；虚拟惯性控制通过引入虚拟电容，增大系统的惯量，在直流母线电压波动的暂态过程中为系统提供惯量，抑制直流母线电压的波动；模型预测控制器通过输入的直流母线电压和直流母线电流来计算最优的补偿电流，然后...

【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：