一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法技术

本发明专利技术涉及一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，采用模型预测控制进行多模块直流变换器输出电压的快速控制，以适用于不同调制策略下的输出电压稳态控制，采用比例积分控制进行多模块直流变换器输入电压的均分控制，以实现多模块之间的功率平衡，从而同时实现系统输出电压控制和各模块的功率平衡控制。该方法有利于实现多模块直流变换器各模块之间的功率平衡。器各模块之间的功率平衡。器各模块之间的功率平衡。

【技术实现步骤摘要】
一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法


[0001]本专利技术属于多模块直流变换器控制器设计领域，具体涉及一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法。

技术介绍

[0002]随着新能源产业的蓬勃发展，蓄电池储能电站、电动汽车、交直流充电桩等装置的广泛应用，对高功率密度、高效率、电气隔离性好、双向能量传输的直流变换器提出了新的需求。新能源发电装置、微电网系统大量并入电网，电网对该部分能量消纳的同时伴随着电网架构及布局的重大变化。多个电压等级的电能形式、多种形式的交直流电源以及多个信息网络之间的深度融合，助推供需侧互动、能源高效转化的能源互联网的实现。直流变换器作为与直流电网直接进行能量交互的重要媒介，得到越来越多的关注。
[0003]随着直流微电网电压等级和功率等级的提升，多电平单模块直流变换器被广泛应用。但是多电平电路开关管数量较多，控制较为复杂，当开关管发生故障时，整个变换器将停止运行，无法实现能量的传递和转化。随着模块化变换器技术的发展和成熟，基于模块化的串并联直流变换器系统也受到越来越多的关注。在高压输入场合，变换器模块串联连接以分压；大电流输出场合，变换器模块并联连接以分流。模块化直流变换器输入输出级联方式包括输入串联输出串联型、输入串联输出并联型、输入并联输出串联型、输入并联输出并联型和独立输入串联输出型，以进一步拓展变换器的传输容量。其中输入并联输出并联是业内研究最早的一种变换器组合形式，在高压与低压配网的能量交互场合，输入串联输出并联组合形式也得到越来越多的关注。
[0004]由于工艺制造水平的限制，无法保证各个模块的参数完全相同，因此在将模块进行组合时，需要采用一定的控制手段实现模块间的功率平衡，防止出现单个模块功率失衡的问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，该方法有利于实现多模块直流变换器各模块之间的功率平衡。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，采用模型预测控制进行多模块直流变换器输出电压的快速控制，以适用于不同调制策略下的输出电压稳态控制，采用比例积分控制进行多模块直流变换器输入电压的均分控制，以实现多模块之间的功率平衡，从而同时实现系统输出电压控制和各模块的功率平衡控制。
[0007]进一步地，多模块直流变换器中各模块的输出电压稳定控制器为模型预测控制器，多模块直流变换器中各模块的输入电压稳定控制器为比例积分控制器，两个控制器输出的控制量结合作为单个模块的最终控制量。
[0008]进一步地，所述模型预测控制器通过采集当前时刻的模块输出电压值、模块输出
电流值以及负载电流值，进行一次输出电压的预测值计算，进而得到下一采样时刻的模块最优控制量。
[0009]进一步地，所述比例积分控制器取系统输入电压的均值作为各模块输入电压的参考值，进而实现模块的输入电压均分；通过建立单个变换器的小信号模型以及输入电压与控制量之间的传递函数，进行比例积分控制器的参数设计，进而实现良好的控制效果。
[0010]进一步地，该方法适用于包括双有源桥电路模块的多种电路形式的模块组合，且不限制电路模块的调制方法。
[0011]进一步地，在直流输入侧和直流输出侧均并联稳压电容，以实现直流电压的稳定；通过将输出侧并联电容进行等效，进一步简化电路结构以及输出电压预测模型。
[0012]进一步地，该方法具体包括以下步骤：
[0013]步骤S1、测量当前系统的输入电压U1以及模块i的输入电压U
1i
，将系统输入电压U1除以模块数m，得到模块输入电压参考值U
1ref
；将模块i的输入电压U
1i
与模块输入电压参考值U
1ref
进行运算后输入比例积分控制器，得到输入电压比例积分控制器输出控制量d
ip
；
[0014]步骤S2、测量当前时刻的模块i的输出电压U
2i
(k)、输出电流I
si
(k)和负载电流I2(k)，对输出电压U2(k)与输出参考电压U
2ref
进行运算得到寻优步长ΔD，进而在当前控制量D
i
(k)的基础上生成寻优序列，寻优序列的元素个数为N，寻优序列为D
i
[N]；
[0015]步骤S3、将生成的控制量寻优序列代入到对应的功率表达式中，求得传输功率序列后，将其代入电流预测公式得到模块输出电流预测值序列I
si(k+1)
[N]；
[0016]步骤S4、在得到不同移相控制量下的模块输出电流预测值序列I
si(k+1)
[N]，对这N个待寻优控制变量进行寻优，首先对第一个元素进行寻优，将输出电流预测值代入到输出电压预测公式中得到下两个开关周期后的模块输出电压预测值U
2p
(k+2)；由于预测过程中存在误差，对变换器输出电压进行误差补偿；
[0017]步骤S5、将所计算的当前循环下输出电压预测值代入到代价函数J中，初始化代价函数最小值为无穷大，将当前循环下得到的代价函数值与最小代价函数进行比较，保留最小的代价函数值J
min
作为最优代价函数值；
[0018]步骤S6、判断当前循环是否为最后一次循环，如果是，退出当前寻优循环；如果不是，进入下一循环，获取下一个寻优元素下的代价函数值；当所有寻优序列元素循环结束后，得到最优的代价函数取值，记录该代价函数对应下的最优预测电压值U
2pi
(k+2)和最优控制量d
io
；
[0019]步骤S7、将得到的模型预测控制最优输出控制量d
io
与输入电压比例积分控制器输出控制量d
ip
进行运算，得到下一个时刻模块i的最优移相控制量d
i
。
[0020]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：提供了一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，该方法能够同时实现系统输出电压和各模块间的功率平衡的控制，使得多模块变换器在实现正常的功率输出外，保证各模块之间的功率传输平衡，且具有良好的稳态性能和动态能力，满足大功率多模块直流变换器实际应用需求。
附图说明
[0021]图1为本专利技术实施例中多模块双有源桥直流变换器的结构框图；
[0022]图2为本专利技术实施例中多模块双有源桥直流变换器的小信号模型图；
[0023]图3为本专利技术实施例中多模块双有源桥直流变换器的等效电路图；
[0024]图4为本专利技术实施例中多模块双有源桥直流变换器的简化电路图；
[0025]图5为本专利技术实施例中多模块直流变换器功率平衡方法的控制框图；
[0026]图6为本专利技术实施例中多模块直流变换器输出电压模型预测控制实施框图。
具体实施方式
[0027]下面结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，采用模型预测控制进行多模块直流变换器输出电压的快速控制，以适用于不同调制策略下的输出电压稳态控制，采用比例积分控制进行多模块直流变换器输入电压的均分控制，以实现多模块之间的功率平衡，从而同时实现系统输出电压控制和各模块的功率平衡控制。2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，多模块直流变换器中各模块的输出电压稳定控制器为模型预测控制器，多模块直流变换器中各模块的输入电压稳定控制器为比例积分控制器，两个控制器输出的控制量结合作为单个模块的最终控制量。3.根据权利要求2所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，所述模型预测控制器通过采集当前时刻的模块输出电压值、模块输出电流值以及负载电流值，进行一次输出电压的预测值计算，进而得到下一采样时刻的模块最优控制量。4.根据权利要求2所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，所述比例积分控制器取系统输入电压的均值作为各模块输入电压的参考值，进而实现模块的输入电压均分；通过建立单个变换器的小信号模型以及输入电压与控制量之间的传递函数，进行比例积分控制器的参数设计，进而实现良好的控制效果。5.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，该方法适用于包括双有源桥电路模块的多种电路形式的模块组合，且不限制电路模块的调制方法。6.根据权利要求1所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，在直流输入侧和直流输出侧均并联稳压电容，以实现直流电压的稳定；通过将输出侧并联电容进行等效，进一步简化电路结构以及输出电压预测模型。7.根据权利要求1
‑
6任一项所述的一种基于模型预测控制的多模块直流变换器功率平衡方法，其特征在于，具体包括以下步骤：步骤S1、测量当前系统的输入电压U1以及模块i的输入电压U
1i
，将系统输入电压U1除以模块数m，得到模块输入电压参考值U
1ref
；将模块i的输入电压U
1i

【专利技术属性】
技术研发人员：金涛，刘惟诚，廖皇政，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：