【《基于多端口能源路由器能量控制策略研究》5500字（论文）】

PAGE63基于多端口能源路由器能量控制策略研究目录TOC\o"1-3"\h\u14275基于多端口能源路由器能量控制策略研究 1320301.1三端口拓扑结构 1223891.2三端口工作原理分析 2162331.2.1三端口移相控制分析 2191.2.2三端口功率传递 4317961.3三端口仿真分析 757371.4三端口闭环控制分析 83071.1.1电路小信号模型 894811.1.2软件解耦控制 1070661.1.3硬件解耦控制 1296281.5基于隔离型三端口能源路由器能量控制策略 14170671.5.1工作模式及调制 15280741.5.2三端口能源路由器控制策略 1630281.5.3仿真分析 1789151.6小结 20大多数电力系统是多输入多输出系统，针对多种能源、负载的接入。传统的方法是电源、储能、负载端口通过两端口变换器与直流母线连接，直流母线就是系统能量交换中心。但是这种方式需要更多的开关器件，开关器件的损耗造成系统效率不高。而采用多端口变换器减少开关管的使用，系统损耗降低，提升系统效率。1.1三端口拓扑结构针对多端口变换器的分析，本文以三端口变换器为例分析。隔离型三端口变换器的拓扑结构如图4-1所示，高频变压器将三个端口、、相连接，端口、、通过变压器来进行功率的传递[65]。端口的全桥开关管为，驱动信号占空比为50%的方波。其中和,和工作在互补状态,端口和开关管工作状态与A中一样。其中：、和为三个端口的电压，、和为端口滤波电容；、和分别为端口的总漏感(变压器漏感串联外接电感)，、和为对应的电感电流；三个端口的桥臂中点电压分别为、和。三绕组高频变压器是变换器的核心，其作用包括：使三个端口互联实现能量的相互传递和电气隔离，三绕组变压器不同变比可以连接不同电压等级的系统。图4-1隔离型三端口拓扑1.2三端口工作原理分析1.2.1三端口移相控制分析隔离型TPC也采用移相控制，控制方式如图4-2所示。把端口中开关管驱动信号作为参考值，我们把端口、开关管上驱动信号与端口中信号之间的相位差定义为和。图4-2三端口调制波形图根据对DAB变换器的分析方法，可以将变压器中点电压视为三个方波电压源。将图4-1所示的三绕组高频变压器视为理想的变压器，将其等效为电感网络。得到其等效电路，如图4-3所示。基于图4-3的等效电路，我们将端口、上的、、以及折算到一次侧。得到Y型一次侧等效电路，最后对Y进行Y-Δ变换得到Δ型一次侧等效电路[66]。此时，隔离型TPC等效为三个高频电压源网络。通过三绕组变压器的等效转换，得到隔离型三绕组变换器的数学模型。图4-3两个双绕组变压器组合等效电路图4-4Y型等效电路图4-5Δ型等效电路如图4-5所示，在变换器Δ型等效电路中。根据变压器的折算原理，等效电感、、的表达式为： (4-1)其中： (4-2)1.2.2三端口功率传递隔离型TPC三个端口的能量守恒，根据能量守恒定律可知三个端口功率表达式如式(4-3)所示： (4-3)其中：、、分别为三个端口的输出功率。由上式可知，一个端口的能量由另外两个端口决定。因此在对端口进行能量控制时，一个端口作为自由端口。例如我们控制端口、的功率和，那么端口将就会根据端口、的功率流动选择发出或者吸收能量。由图4-5可知，隔离型TPC可以当做三个DAB电路之间的相互作用，因此可以到其功率传输的表达式为： (4-4)其中：、、表示为端口、之间功率的传输，端口、之间功率的传输，端口、之间功率的传输。根据前文对DAB变换器功率传输的分析可知隔离型TPC任意两个端口功率传递与单个DAB变换器功率传递相似。因此其表达式为： (4-5)将式(4-5)带入式(4-4)可得。 (4-6)从式(4-6)可以看出隔离型三端口端口间存在功率耦合。通过式(4-6)和(4-9)建立输出功率与移相角、、之间的三维曲线图如图4-6、4-7、4-8所示，移相角的大小为。由图4-6可知，移相角。发出功率最大。由图4-7、4-8可知，在零平面以上，表示该端口发出功率。在零平面以下表示该端口吸收能量。图4-6端口A输出功率与移向角、函数三维曲线图图4-7端口B输出功率与移向角、函数三维曲线图图4-8端口C输出功率与移向角、函数三维曲线图1.3三端口仿真分析根据前文的分析，搭建三端口变换器仿真模型，把端口、作为电源端口。选取电源电压为400V,端口作为负载端口设置输出电压100V，采用移相控制调制方式。三端口仿真参数如表4-1所示。表4-1三端口仿真参数参数值参数值输入电压V1400V漏感L36µH输入电压V2400V电容C1100µF输出电压V3100V电容C2100µF漏感L16µH电容C31000µF漏感L26µH匝数比N1:N2:N3400:400:200仿真中三个端口的电压、电流波形如图4-9所示。图4-9端口电压、电流仿真结果由图4-9可以看出，端口，端口，端口电压波形满足设计要求。本文主要研究内容为实现三端口能量的流动。对软开关问题不做详细分析。端口，端口，端口电压、电流波形如图4-10、4-11所示。图4-10端口电压波形图4-11端口电流仿真结果由图4-10、4-11可知，电源端口母线电压都稳定在400V在0.5s时，负载发生变化，引起系统的扰动，但是经过短暂的过程，负载端口电压保持稳定。电流随着负载的减小，消耗的功率减小。电源端口输出的电流也减小。这个过程中能量始终保持着平衡。1.4三端口闭环控制分析1.1.1电路小信号模型为了实现对三端口的闭环控制，对其进行小信号建模分析。我们采用平均电流法进行分析。平均电流法，指的是对一个端口的输入/输出电流取平均值，然后平均值求偏导，然后得到该电流与对应变量的数学关系[67]。有前文分析可得，各个端口功率传递方程如式(4-6)。我们可以求出端口、的平均电流为： (4-7) (4-8)根据图1.7所示的调制方式，可得： (4-9)将(4-9)带入(4-8)得： (4-10)通过求偏微分，将式(4-7)和(4-9)中的平均电流和在稳态工作处进行小信号线性化处理，得到和的小信号变化量与移相角和小信号扰动之间的关系： (4-11)因此在开关周期平均意义下，有以下的矩阵方程成立： (4-12)根据式(4-12)求出结构框图，如图4-12所示：图4-12电流小信号模型控制框图由图4-12可以清晰的看出和分别受到来自对方控制作用干扰耦合和的影响。在实际控制中，我们希望电流和只受移向角、的影响。因此，需要对变换器进行解耦控制。1.1.2软件解耦控制在实际生产过程中，控制系统往往有多个相互关联的输入输出的变量。一个输入量的变化可能导致多个输出量的相应变化，我们称之为耦合。针对三端口耦合的问题，采用软件解耦方法。通过引入不同的解耦矩阵，将三端口系统转化为多个单输入单输出子系统，从而消除耦合部分。实际运行中，希望电流、分别只受到移相角，的控制。软件解耦网络有三种：前馈解耦、对角矩阵解耦和单位阵解耦[68]。(1)前馈解耦补偿：为了使和对和不产生影响，加入解耦项和，加入解耦后其控解耦制框图如图4-13所示：图4-13前馈解耦结构框图如图4-13所示，加入前馈解耦补偿后电流和的小信号表达式为： (4-13)前馈解耦网络满足下列公式： (4-14)(2)对角矩阵解耦方法对角矩阵解耦与前馈解耦的原理形同，使和对和不产生影响。加入解耦项后，使小信号模型中矩阵方程中的矩阵转变为对角矩阵，加入解耦后其控解耦制框图如图4-14所示。解耦后三端口电流小信号模型为： (4-15)图4-14对角矩阵解耦控制框图即解耦矩阵需要满足下式： (4-16)由(4-16)可得解耦项为： (4-17)(3)单位阵解耦法方法单位矩阵解耦是对角矩阵解耦的一种特列，使小信号模型中矩阵方程中的矩阵变为单位矩阵。解耦后三端口电流小信号模型为： (4-18)由式(4-18)可以得解耦矩阵为： (4-19)三种解耦控制方式是加入解耦矩阵，实现对系统软件解耦控制。1.1.3硬件解耦控制通过前文的分析，针对三端口回路间耦合的问题，提出解耦网络进行解耦控制的方法，但这并不能全部解决系统的耦合问题。对此提出硬件解耦三端口变换器，从本质上实现了控制回路之间的解耦控制。根据图4-5对隔离型TPC进行分析，绘制新的Y型等效电路。如图4-15所示。图4-15三端口Y型等效电路当等效电感远小于电感和时，端口中的阻抗将变得很小。当系统存在功率传递时，电流只会流过电感所在的支路，所以达到将例外两条支路解耦的目的。将电感，带入式(4-1)可以求出： (4-20)当时，隔离型TPC的Δ型等效电路如图4-16所示。图4-16三端口Δ型等效电路(Lc=0)把(Lc=0)时带入式(4-5)得到端口、、间功率表达式为： (4-21)将(4-21)带入(4-4)中可得： (4-22)从式(4-21)可以看出与之间实现解耦，当可以从硬件层面上解决与的耦合问题。但是由于三绕组高频变压器的存在，实际上端口间还存在磁耦合。所以把其改造成为两个双绕组变压器。来解决磁路上耦合的问题。由此得出硬件解耦的TCP。其结构如图4-19所示。根据文献[69]对解耦三端口模型分析得出，端口输出电流与移相角之间的传递函数为： (4-23)图4-17电压环传递函数伯德图根据表4-2参数，得出端口A电流与移相角传递函数伯德图如图4-17所示端口B输出电压与移相角之间的传递函数如图4-18所示。端口B输出电压与移相角之间的传递函数为： (4-24)图4-18电压环传递函数伯德图图4-19硬件解耦三端口拓扑结构1.5基于隔离型三端口能源路由器能量控制策略隔离型三端口的每个端口可以连接不同的能源，为了使端口间进行功率的传输，对此提出相应的控制策略。有效的能量管理策略可以使端口间进行能量的分配。为了简化分析，我们把将电源系统、储能系统、负载系统等当成一个简单的子系统。每个子系统可以当成一个独立的区域，三个独立的区域通过硬件解耦变换器连接形成一个大的互联系统。这样实现了每个子系统放的能量流动。本文以电源系统、储能系统、负载系统为例来分析。1.5.1工作模式及调制隔离型三端口的每个端口可以连接不同的能源，有效的能量管理策略可以使端口间进行能量的分配。进而维持整系统的稳定运行，采用硬件解耦TCP作为能源路由器传输能量的核心。为了简化分析，我们可以将硬件解耦TCP看成两个DAB变换器。端口、端口通过双绕组高频变压器连接可以当做一个DAB变换器，端口、通过变压器连接当做一个DAB变换器。在分析过程中，以端口为参考位置。定义端口和间的移相角为，端口和间的移相角为，其调制方式如图4-20所示。图4-20调制波形图移相角和的范围为(，)，当、时，端口向端口、传递能量；当、时，端口、向端口传递能量；当、时，端口、之间存在功率的流动。在硬件解耦TCP中，系统能量交换是在高频交流母线上。在系统控制时，将端口将作为参考单元、以及功率交换单元。我们通过控制移相角信号实现端口间能量的流动，即子系统的功率交换。本文以电源系统、储能系统、负载系统为例分析，因为各个端口功率不断发生变化，系统工作在三种常见的模式下[70]：模式一：电源、储能供电模式。电源系统提供的能量小于负载所需功率，储能系统参与供电。共同维持系统的平衡。模式二：电源系统供电模式。电源系统提供的能量刚好满足负载所需功率，此时储能系统不参与功率的传递。模式三：储能系统充电模式。电源提供的能量远大于负载所需功率，储能系统吸收多余功率来满足系统能量的平衡。1.5.2三端口能源路由器控制策略本文以电源系统、储能系统、负载系统为例搭建仿真模型。本文的控制目标是，当系统外界发生变化时，保证电源功率保持恒定、负载端口保持恒定。储能系统作为自由端口进行能量的调节。我们定义端口为电源系统、端口为储能系统、端口为负载系统。储能系统功率流动变化受电源和负载的功率变化的影响。当电源提供的功率不能够满足负载需求时，储能系统释放功率；当电源提供的功率大于负载所需的功率时，储能吸收系统中多余的功率[71]。系统能量的控制，主要通过移相角、来实现。通过改变负载系统端口电压输由决定，电源系统功率由调节，其控制策略如图4-22所示。根据其控制策略搭建仿真模型，如图4-21所示。图4-21基于硬件解耦三端口能源路由器仿真模型图4-22系统控制策略1.5.3仿真分析根据上一小节分析，针对硬件解耦三端口提出控制策略，建立仿真模型进行分析，系统仿真如表4-4所示。由前文分析，由于负载能量的变化系统工作在不同的状态下，因此建立不同的仿真模型来分别验证。第一组实验为电源、储能供电模式向电源系统供电模式变化，其实验结果如图4-23、4-24所示；第二组实验为电源系统供电模式向储能系统充电模式变换，其实验结果如图4-25、4-26所示。表4-4系统仿真参数参数值参数值输入电压V150V漏感L385µH输出电压V3120V电容C1100µF蓄电池电压V236V电容C2100µF漏感L122µH电容C3500µF漏感L212µH匝数比N1:N2:N350:36:120电源系统供电模式向储能系统充电模式如图4-23、4-24所示。由图4-23可知，端口二为储能系统，根据电源功率、负载功率的变化进行充放电，从而来稳定系统能量的平衡。0.15s前，电源功率不能满足负载，储能系统进行放电共同维持系统能量的平衡，电池SOC下降。随着负载功率的降低，电源功率刚好满足负载需求，储能系统工作空闲模式。当系统与储能系统不发生功率交换时，电池SOC基本保持稳定不变。在此过程中，储能系统的电压维持稳定。图4-23储能系统仿真波形在此过程中，端口A以恒功率运行，对系统提供能量。刚开始负载功率较大，电源系统提供的能量不能满足负载的需求。储能系统发出功率来满足负载的需要。在0.15s时，由于负载的变动，负载消耗的功率减小。电源提供功率刚好满足负载消耗。端口B不再提供功率。从