基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法技术

本发明专利技术涉及新能源技术领域，且公开了基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，L为并网滤波器电感值，R为滤波电感的等效内阻，v

【技术实现步骤摘要】
基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法


[0001]本专利技术涉及新能源
，具体为基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法。

技术介绍

[0002]为了缓解能源危机，绿色新能源得到了人们前所未有的关注。但对于风能、太阳能等新能源发电会存在间断性和间歇性问题，需要增加电池储能系统来缓解。级联H桥拓扑具有将分布式储能的能量整合到一起并输送到电网或负载上、提高输出电压波形质量、减少滤波器的尺寸和逆变器相间的共模电压等优点，适合应用于电池储能系统中。为了控制逆变器并网电流的相位、频率和提高电流的质量，国内外学者采用脉冲脉宽调制、矢量控制和模型预测控制等方法。其中，模型预测控制具有设计简单、多目标控制、能够很好地包含、限制系非线性部分和更快的动态响应等优点，在电力电子变换器中广泛被应用。在模型预测控制中，有限集模型预测控制更适合于控制级联H桥逆变器。有限集模型预测控制是在每一个采样周期内，通过遍历所有存在的电压矢量组合，计算出每一个电压矢量组合的代价函数，并选出最小的矢量组合的开关状态应用于逆变器的开关管，在过程中不需要用到调制器。
[0003]由于电池的制造工艺和工作环境不同，以及在工作过程中存在过充过放的问题，从而导致级联H桥各单元的电池容量和电池电荷状态(state of charge，SoC)不一致，从而影响储能系统的利用率。对于相内SoC不一致的级联H桥，需要控制SoC均衡。与此同时，保证直流侧的电压均衡，降低直流侧纹波电压也是需要解决的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供了基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，解决了上述
技术介绍
中的问题。
[0005]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，L为并网滤波器电感值，R为滤波电感的等效内阻，v
dc
为每一个H桥单元的电池电压值，v为逆变器输出电压，v
g
为电网电压，i为并网电流；
[0006]对于单相并网逆变器的数学模型如下：
[0007][0008]其中，L为并网滤波器电感值，R为滤波电感的等效内阻，i为并网电流的值，v
g
为电网电压的值，v为逆变器输出电压的值，v由每个H桥单元的开关状态决定的，可表示为：
[0009][0010]其中，S
i
为第n个H桥的开关状态，N为级联H桥的单元数目，v
dc_
为第n个单元的直流
侧电压值。
[0011]优选的，将式(1)所示的所学模型进行前向欧拉离散化，可以得到：
[0012][0013]其中，T为采样时间，表示在采样周期k到k+1之间的间隔时间，当T足够小的时，式(2)将相似约等于式(1)，i(k+1)为k+1时刻并网电流的预测值。不同的电压矢量会产生不同的预测值，预测值与参考电流之间会存在不同程度的误差，因此，为了使电流能够跟踪到参考电流，因此需要定义代价函数：
[0014]g(k+1)＝|i
*
(k+1)
‑
i(k+1)|#(4)
[0015]v＝arg(min(g(k+1)))#(5)
[0016]其中，i
*
(k+1)是k+1时刻的预测电流参考值。在采样时间T足够小的时候，可以将i
*
(k+1)≈i
*
(k)。
[0017]优选的，通过代价函数(4)评估预测误差，计算全部代价函数后使用式(5)选择最小的代价函数对应的电压状态应用到逆变器系统(1)中；
[0018]为了实现相内SoC均衡，需要定义：
[0019][0020]ΔSOC
n
＝SOC
‑
SOC
n
,(n＝1,2,
…
,N)#(7)
[0021]其中SOC为整相级联H桥SoC的平均值，SOC
n
为第n个H桥单元电池的SoC值，ΔSOC
n
为平均SoC和第n个单元电池的SoC之间的差值。
[0022]优选的，对于7(2N+1)电平级联H桥逆变器来说，输出电压总共存在27(N3)种开关状态组合，当ΔSOC1(k)>0、ΔSOC2(k)<0和i(k)>0时，应该尽可能地保证第1个H桥单元的开关处于1状态而第2个H桥单元尽可能处于
‑
1和0的开关状态，这可以使得第1个H桥单元能够发出更多能量，第二个单元减少发出能量或者吸收能量，最终实现相内SoC的均衡；
[0023]因此，通过定义一个奖励函数来实现选择出最优开关状态组合实现最快相内SoC均衡：
[0024][0025]其中，k在第k时刻的采样周期，通过带入满足输出电压等级的不同开关状态组合，可以获得不同结果的g
y
(k)，当g
y
(k)为最大值的开关状态组合，即为最优的SoC均衡的开关状态组合，因此，选择最大值g
y
(k)对应的开关状态组合信号应用于逆变器中，即
[0026]{S1,S2,
…
,S
N
}＝arg(max(g
p
(k)))#(9)
[0027]同理，这种方法同时可以拓展到降低直流侧电压纹波，实现电压均衡，首先定义：
[0028][0029][0030]其中为整相级联H桥直流侧电压的平均值，Δv
dc_
为平均直流侧电压和第n个单
元电池的直流侧电压之间的差值。
[0031]优选的，同理可以得到如下表示：
[0032][0033]{S1,S2,
…
,S
N
}＝arg(max(g
v
(k)))#(13)
[0034]通过引入一个奖励函数包含式(8)和式(12)，可以对电池SoC均衡和电池电压平衡控制的方法，为
[0035][0036]{S1,S2,
…
,S
N
}＝arg(max(g
s
(k)))#(15)
[0037]式(14)中的η为调节电池SoC均衡和电池电压平衡的权重系数。
[0038]优选的，为了在相内SoC均衡之后保证电压均衡，定义相内SoC之间的误差之和e
soc
(k)如下：
[0039]e
soc
(k)＝ΔSOC#(16)
[0040]当e
soc
(k)>ε时，系统执行式(14)和(15)同时进行SoC均衡和电压平衡，当e
soc
(k)<ε时，系统将不再进行SoC均衡，而只保持电压平衡，即执行式(12)和(13)。
[0041]优选的，在Matlab/Simulink仿真软件中搭建基于模型预测控制的7本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，其特征在于：L为并网滤波器电感值，R为滤波电感的等效内阻，v
dc
为每一个H桥单元的电池电压值，v为逆变器输出电压，v
g
为电网电压，i为并网电流；对于单相并网逆变器的数学模型如下：其中，L为并网滤波器电感值，R为滤波电感的等效内阻，i为并网电流的值，v
g
为电网电压的值，v为逆变器输出电压的值，v由每个H桥单元的开关状态决定的，可表示为：其中，S
i
为第n个H桥的开关状态，N为级联H桥的单元数目，v
dc_i
为第n个单元的直流侧电压值。2.根据权利要求1的基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，其特征在于：将式(1)所示的所学模型进行前向欧拉离散化，可以得到：其中，T为采样时间，表示在采样周期k到k+1之间的间隔时间，当T足够小的时，式(2)将相似约等于式(1)，i(k+1)为k+1时刻并网电流的预测值。不同的电压矢量会产生不同的预测值，预测值与参考电流之间会存在不同程度的误差，因此，为了使电流能够跟踪到参考电流，因此需要定义代价函数：g(k+1)＝|i
*
(k+1)
‑
i(k+1)|#(4)v＝arg(min(g(k+1)))#(5)其中，i
*
(k+1)是k+1时刻的预测电流参考值。在采样时间T足够小的时候，可以将i
*
(k+1)≈i
*
(k)。3.根据权利要求2的基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，其特征在于：通过代价函数(4)评估预测误差，计算全部代价函数后使用式(5)选择最小的代价函数对应的电压状态应用到逆变器系统(1)中；为了实现相内SoC均衡，需要定义：ASOC
n
＝SOC
‑
SOC
n
，(n＝1,2,...，N)#(7)其中SOC为整相级联H桥SoC的平均值，SOC
n
为第n个H桥单元电池的SoC值，ΔSOC
n
为平均SoC和第n个单元电池的SoC之间的差值。4.根据权利要求3的基于模型预测控制H桥电池电荷状态和电压均衡的方法，其特征在于：对于7(2N+1)电平级联H桥逆变器来说，输出电压总共存在27(N3)种开关状态组合，当ΔSOC1(k)>0、ΔSOC2(k)<0和i(k)>0时，应该尽可能地保证第1个H桥单元的开关处于1状态而
第2个H桥单元尽可能处于
‑
1和0的开关状态，这可以使得第1个H桥单元能够发出更多能量，第二个单元减少发出能量或者吸收能量，最终实现相内SoC的均衡；因此，通过定义一个奖励函数来实现选择出最优开关状态组合实现最快相内SoC均衡：其中，k在第k时刻的采样周期，通过带入满足输出电压等级的不同开关状态组合，可以获得不同结果的g
y
(k)，当g
y
(k)为最大值的...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓刚，赵泳钿，
申请(专利权)人：广州大学，
类型：发明
国别省市：