本發(fā)明涉及負(fù)載控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種含有變系數(shù)負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

直流微網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性能很大程度上取決于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制性能，由于混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)輸入變量包含有負(fù)載狀態(tài)反饋信息，該信息不易直接測(cè)量，因此需用負(fù)載觀測(cè)器獲得該信息。但目前大多數(shù)的負(fù)載觀測(cè)器都是基于李雅普諾夫穩(wěn)定意義下討論的，精確的負(fù)載狀態(tài)信息只能在無窮時(shí)間內(nèi)跟蹤，無法在有限時(shí)間內(nèi)獲得，這一點(diǎn)使得控制器不能快速準(zhǔn)確地生成控制律，進(jìn)而影響混合儲(chǔ)能控制性能。

由于混合儲(chǔ)能系統(tǒng)為時(shí)變系統(tǒng)，其中的負(fù)載，母線電壓以及電路參數(shù)均為時(shí)變參數(shù)，常系數(shù)的有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器不能很好地觀測(cè)負(fù)載信息。為此，設(shè)計(jì)一種適合于混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種含有變系數(shù)負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器可以在有限時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)負(fù)載狀態(tài)的快速準(zhǔn)確跟蹤，為混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)提供精確的負(fù)載狀態(tài)反饋，提高混合儲(chǔ)能控制性能。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種含有變系數(shù)負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)，所述的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)包括蓄電池儲(chǔ)能單元和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元，以及混合儲(chǔ)能控制裝置，所述的混合儲(chǔ)能控制裝置輸出端分別連接蓄電池儲(chǔ)能單元和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元，所述的蓄電池儲(chǔ)能單元和超級(jí)電容儲(chǔ)能單元分別通過雙向DC-DC變換器并聯(lián)至直流母線上，所述的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)還包括變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器，所述的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器輸出端連接混合儲(chǔ)能控制裝置輸入端。

所述的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器以直流母線的實(shí)時(shí)電壓和實(shí)時(shí)電流值作為輸入，輸出負(fù)載阻抗估計(jì)值至混合儲(chǔ)能控制裝置輸入端，通過混合儲(chǔ)能控制裝置控制儲(chǔ)能單元，維持直流母線電壓穩(wěn)定。

一種用于所述的一種含變系數(shù)負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，所述的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)將直流母線的總電流和負(fù)載電壓輸入變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器，由變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器估計(jì)負(fù)載變化信息，所述的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器輸出實(shí)時(shí)負(fù)載數(shù)據(jù)至混合儲(chǔ)能控制裝置，使混合儲(chǔ)能控制裝置對(duì)直流母線電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，維持直流母線電壓穩(wěn)定，所述的方法包括以下步驟：

S1、變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)；

S2、混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型建立；

S3、混合儲(chǔ)能控制裝置設(shè)計(jì)。

步驟S1具體為：

推導(dǎo)直流母線電壓動(dòng)態(tài)方程：

i_s為儲(chǔ)能單元注入到直流母線的電流值，也是變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器的輸入值；

v_c為直流母線電壓，R為負(fù)載阻抗；

在負(fù)荷端，設(shè)計(jì)變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器：

為直流母線電壓估計(jì)值，是時(shí)變量，也是變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器的輸入值；

為負(fù)載阻抗的估計(jì)值，是變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器的輸出值；

l₁與l₂為無源控制器參數(shù)；

函數(shù)其中分?jǐn)?shù)冪β＝β₁,β₂，且滿足0＜β₁＜1，0＜β₂＜1。

步驟S2具體為：混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下，

其中，ΔV_C＝V_C-V_C^*為直流母線實(shí)際電壓與期望電壓之間的偏差，V_C^*為直流母線期望電壓值；

ΔV_SC＝V_SC-V_SC^*為超級(jí)電容實(shí)際電壓與期望電壓之間的偏差，V_SC^*為超級(jí)電容期望電壓值；

i_sc^*、i_b^*分別為無源控制器的輸出值，即超級(jí)電容儲(chǔ)能單元和蓄電池儲(chǔ)能單元充放電電流；

R為負(fù)載阻抗；

C為直流母線等效電容，C_SC為超級(jí)電容的等效電容；

i_sc、i_b分別為超級(jí)電容和蓄電池充放電電流；

V_SC、V_b、V_C分別為超級(jí)電容電壓、蓄電池電壓和直流母線電壓。

步驟S3包括以下步驟：

S31、無源控制器設(shè)計(jì)；

S32、電流調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)。

所述的無源控制器設(shè)計(jì)：

其中α＝j(luò)CC_SC＞0；

C為直流母線等效電容，C_SC為超級(jí)電容的等效電容；

V_SC、V_b、V_C和分別為超級(jí)電容電壓、蓄電池電壓、直流母線電壓和負(fù)載阻抗的估計(jì)值，即無源控制器的輸入值；

i_sc^*、i_b^*分別為超級(jí)電容和蓄電池充放電電流，即無源控制器的輸出值。

所述的電流調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)：

u_b＝K_P1(i_b-i_b^*)

u_sc＝K_P3(i_sc-i_sc^*)

i_sc^*、i_b^*分別為電流調(diào)節(jié)裝置的輸入值，也是無源控制器的輸出值；

u_b、u_sc分別為電流調(diào)節(jié)裝置的輸出值；

其中K_P3與K_P1為比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)。

所述的蓄電池儲(chǔ)能單元中設(shè)有開關(guān)T₁和T₂，所述的超級(jí)電容儲(chǔ)能單元中設(shè)有開關(guān)T₃和T₄，所述的混合儲(chǔ)能控制裝置通過控制開關(guān)T₁、T₂、T₃和T₄的開度來控制直流母線電壓，開關(guān)控制律為：開關(guān)T1控制律為1-u_b；開關(guān)T2控制律為u_b；開關(guān)T3控制律為1-u_sc；開關(guān)T4控制律為u_sc。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明針對(duì)混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中存在負(fù)載狀態(tài)這一不易測(cè)量的輸入變量信息，設(shè)計(jì)一種適合于混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器來估計(jì)這一信息，使得母線電壓控制保持穩(wěn)定；

2)該觀測(cè)器運(yùn)用有限時(shí)間觀測(cè)理論，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的有限時(shí)間精確重構(gòu)，為混合儲(chǔ)能控制器提供快速準(zhǔn)確的負(fù)載狀態(tài)估計(jì)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制性能。

附圖說明

圖1為含有變系數(shù)負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

圖2混合儲(chǔ)能系統(tǒng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖；

圖3基于變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能無源控制結(jié)構(gòu)圖；

圖4直流母線電壓波形圖；

圖5負(fù)載變化及其觀測(cè)值波形圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部實(shí)施例。基于本發(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實(shí)施例

針對(duì)負(fù)載觀測(cè)器只能在無窮時(shí)間內(nèi)獲得精確的負(fù)載狀態(tài)估計(jì)值，本發(fā)明運(yùn)用有限時(shí)間觀測(cè)理論，改進(jìn)負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的有限時(shí)間精確重構(gòu)，為混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)提供快速準(zhǔn)確的負(fù)載狀態(tài)估計(jì)，提高混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制性能。

本發(fā)明針對(duì)混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)中存在負(fù)載狀態(tài)這一不易測(cè)量的輸入變量信息，設(shè)計(jì)一種適合于混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器來估計(jì)這一信息，如圖1所示。該觀測(cè)器運(yùn)用有限時(shí)間觀測(cè)理論，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的有限時(shí)間精確重構(gòu)，為混合儲(chǔ)能控制器提供快速準(zhǔn)確的負(fù)載狀態(tài)估計(jì)，提高儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制性能。

以微電網(wǎng)中的混合儲(chǔ)能為應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)的變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器，負(fù)載觀測(cè)器輸出應(yīng)用于混合儲(chǔ)能無源控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)；混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)包含有混合儲(chǔ)能無源控制器及電流調(diào)節(jié)裝置；混合儲(chǔ)能無源控制器設(shè)計(jì)是在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)無源控制理論設(shè)計(jì)得出，生成變換器電感電流參考值；電流調(diào)節(jié)裝置為比例控制器，其輸出為變換器電感電流參考值與電感電流值之差；混合儲(chǔ)能無源控制器輸入信號(hào)之一為負(fù)載狀態(tài)，該狀態(tài)由變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器估計(jì)得出。具體設(shè)計(jì)過程如下：

變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)的一般方法為：

針對(duì)一非線性系統(tǒng)為：

其中，i＝1,...,n為自然數(shù)；x＝(x₁,...,x_n)^T∈Rⁿ為系統(tǒng)狀態(tài)，u為控制輸入，y為系統(tǒng)輸出。與f_i(t,x₁,...,x_i,u)、f_n(t,x₁,...,x_n,u)為時(shí)變連續(xù)函數(shù)。

有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器可設(shè)計(jì)為：

其中，為狀態(tài)x_i的觀測(cè)值，0＜m_i＜1，函數(shù)且與為時(shí)變連續(xù)函數(shù)，k_i，k_n為無源控制器參數(shù)。

1)變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器設(shè)計(jì)

由于負(fù)載狀態(tài)信息R參與混合儲(chǔ)能系統(tǒng)無源控制器輸入，該值不易直接測(cè)量，現(xiàn)設(shè)計(jì)變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器估計(jì)這一信息。

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)可簡(jiǎn)化為圖2所示，運(yùn)用基爾霍夫電路定律，推導(dǎo)直流母線電壓動(dòng)態(tài)方程：

其中，i_s為儲(chǔ)能系統(tǒng)通過變換器注入到直流母線的電流值。在負(fù)荷端，由于負(fù)荷R以及電壓v_c均為時(shí)變參數(shù)，為了更準(zhǔn)確估計(jì)變量R，設(shè)計(jì)變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器：

其中，為直流母線電壓估計(jì)值；為負(fù)載阻抗的估計(jì)值；l₁與l₂為無源控制器參數(shù)；函數(shù)其中分?jǐn)?shù)冪β＝β₁,β₂，且滿足0＜β₁＜1，0＜β₂＜1。

在所設(shè)計(jì)的觀測(cè)器(4)中，v_c為時(shí)變量，這一點(diǎn)不同于常系數(shù)的有限時(shí)間觀測(cè)器。變系數(shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器輸出估計(jì)值作為負(fù)載阻抗信號(hào)參與混合儲(chǔ)能控制器輸入。

2)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

混合儲(chǔ)能系統(tǒng)無源控制器設(shè)計(jì)是以混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)基爾霍夫電路定律及狀態(tài)空間模型法，得混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型為：

其中，R為負(fù)載阻抗；α₁、α₃分別為開關(guān)T₁及開關(guān)T₃的占空比；C為直流母線等效電容，C_SC為超級(jí)電容的等效電容；L_SC為連接超級(jí)電容變換器電感，L_b為連接蓄電池變換器電感；i_sc、i_b為超級(jí)電容和蓄電池充放電電流；V_SC、V_b、V_C分別為超級(jí)電容電壓、蓄電池電壓和直流母線電壓。

由于電流調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)速度足夠快，其所控制的電流i_sc與i_b能夠快速的跟蹤其參考值i^*_sc與i^*_b，則i_SC＝i_SC^*，i_b＝i_b^*，將其帶入混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型(5)中，得：

其中，ΔV_C＝V_C-V_C^*為母線實(shí)際電壓與期望電壓之間的偏差，V_C^*為母線期望電壓值；ΔV_SC＝V_SC-V_SC^*為超級(jí)電容實(shí)際電壓與期望電壓之間的偏差，V_SC^*為超級(jí)電容期望電壓值。

3)混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

混合儲(chǔ)能控制系統(tǒng)包含有混合儲(chǔ)能無源控制器及電流調(diào)節(jié)裝置；混合儲(chǔ)能無源控制器設(shè)計(jì)是在混合儲(chǔ)能系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，依據(jù)無源控制理論設(shè)計(jì)得出，生成變換器電感電流參考值；電流調(diào)節(jié)裝置為比例控制器，其輸出為變換器電感電流參考值與電感電流值之差?；谧兿禂?shù)有限時(shí)間負(fù)載觀測(cè)器的混合儲(chǔ)能無源控制結(jié)構(gòu)圖見圖3。

31)無源控制器設(shè)計(jì)

按照互聯(lián)和阻尼配置無源控制方法，在選取閉環(huán)系統(tǒng)能量函數(shù)時(shí)，選取的能量函數(shù)為：

根據(jù)互聯(lián)和阻尼無源配置控制等式結(jié)合式(6)及能量函數(shù)(7)可導(dǎo)出如下匹配方程：

其中，互聯(lián)矩陣阻尼矩陣j、r₁、r₂為無源控制器參數(shù)。

由式(8)推出超級(jí)電容與蓄電池充放電參考電流：

將超級(jí)電容用于調(diào)節(jié)直流母線電壓，蓄電池用于維持超級(jí)電容電壓，式(9)簡(jiǎn)化為：

其中α＝j(luò)CC_SC＞0。

將式(10)中的負(fù)載阻抗R為替換為則混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的無源控制器設(shè)計(jì)為：

32)電流調(diào)節(jié)裝置設(shè)計(jì)

采用比例調(diào)節(jié)器作為電流調(diào)節(jié)裝置，控制超級(jí)電容和蓄電池電流快速跟蹤電流參考值。比例調(diào)節(jié)器輸入為電流與電流參考值的誤差，輸出為：

u_b＝K_P1(i_b-i_b^*) (12)

u_sc＝K_P3(i_sc-i_sc^*) (13)

其中K_P3與K_P1為比例調(diào)節(jié)器放大系數(shù)。

變換器開關(guān)控制律為：開關(guān)T₁控制律為1-u_b；開關(guān)T₂控制律為u_b；開關(guān)T₃控制律為1-u_sc；開關(guān)T₄控制律為u_sc。

在仿真中，設(shè)置負(fù)載變化為圖5所示，在0～0.2s負(fù)載阻值為10Ω；0.2～0.4s負(fù)載阻值為20Ω；0.4～0.55s負(fù)載阻值為12.5Ω，在以上的負(fù)載變化情況下，直流母線電壓穩(wěn)定在額定值50V，如圖4所示。

以上所述，僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到各種等效的修改或替換，這些修改或替換都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。