基于RBF網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督的電池用雙向DC/DC變換器控制策略

張融悉， 張春

(安徽工程大學 電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

隨著時代與技術(shù)的發(fā)展，蓄電池、雙向DC/DC變換器在諸如電動汽車[1]、微電網(wǎng)和儲能系統(tǒng)[2-3]等方面應(yīng)用廣泛。電池儲能系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛的電池種類包括鉛酸電池、鉛炭電池、鋰電池和鈉硫電池等。蓄電池作為電化學儲能設(shè)備，具有建設(shè)周期短、運營成本低和對環(huán)境無影響等特點，已經(jīng)成為電網(wǎng)應(yīng)用儲能技術(shù)解決新能源接入的首選方案。然而蓄電池的壽命受到了許多因素的制約，特別是充放電過程對蓄電池容量及壽命的影響很大，因此與蓄電池匹配的變換器輸出需要嚴格把關(guān)，盡量避免影響蓄電池的使用壽命[4-5]。

而由于蓄電池本身和變換器電路中含有的開關(guān)器件、電感電容等使得蓄電池充饋電過程存在許多非線性因素，為獲得良好的控制效果，許多學者對雙向DC/DC變換器的控制策略進行了研究，文獻[6]結(jié)合傳統(tǒng)PID控制優(yōu)點，提出了變換器非線性PID解耦控制策略，文獻[7]83提出一種基于變量代換和參數(shù)估計的復合校正電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)雙閉環(huán)解耦控制策略。然而在控制器的選擇上主要采用常規(guī)PID控制器且建模過程往往忽略負載的非線性特性，使得對變換器系統(tǒng)的控制精度等方面存在缺陷。

對于無法精確描述其數(shù)學模型的非線性系統(tǒng)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制已成為一種有效途徑。RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為一種前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有結(jié)構(gòu)簡單、訓練簡潔、學習收斂速度快和能夠以任意精度逼近任意連續(xù)函數(shù)等特點。因此基于RBF網(wǎng)絡(luò)的控制器已得到了廣泛應(yīng)用[8]。本文針對電池用雙向DC/DC變換器非線性系統(tǒng)的控制及調(diào)節(jié)，在傳統(tǒng)PID雙閉環(huán)控制策略基礎(chǔ)上進行了優(yōu)化，提出了RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID控制器進行監(jiān)督的控制策略，改善變換器電池側(cè)電壓電流紋波特性，從而提升電池充放電的質(zhì)量。

1 拓撲結(jié)構(gòu)及原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

圖1所示為2個背靠背半橋式并聯(lián)拓撲結(jié)構(gòu)的兩重化雙向DC/DC變換器主電路結(jié)構(gòu)。其中VT1～VT4為IGBT，每個IGBT都反并聯(lián)了二極管D。LmA和LmB為濾波電感，Cbat和Cdc分別為電池側(cè)與直流側(cè)濾波電容。本文采用上下橋臂互補導通方式。當VT1、VT3工作時，電路運行在Buck模式即充電狀態(tài)，當VT2、VT4工作時，電路運行在Boost模式即饋電狀態(tài)。

圖1 兩重化雙向DC/DC變換器主電路拓撲結(jié)構(gòu)

1.2 工作原理

1)變換器

該變換器兩端電壓方向不變，電流方向可變，即該電路可在兩個象限單獨運行或在兩個象限同時運行，從而可實現(xiàn)蓄電池的充電、放電以及充放電交替。對于A橋臂，通過狀態(tài)空間平均法得到其模型如式(1)所示，由上至下依次為：Boost、Buck電壓方程；Boost電流方程；Buck電流方程，其中D為占空比。同理可得B橋臂模型。

(1)

2)蓄電池

圖2 蓄電池模型原理圖

如圖2所示，該蓄電池模型來自Simulink模型庫，模型由電池內(nèi)阻與受控電壓源組成。式(2)為試驗所用電池模型的充放電表達式，fc、fd為Ebatt(非線性電壓)，分別代表蓄電池充放電時受控電壓源大小。

(2)

式中：E0為恒定電壓,V；Exp(s)為指數(shù)區(qū)動態(tài)電壓,V；Sel(s)表示電池模式；K為極化電阻,Ω；i*動態(tài)低頻電流,A；it為提取容量,Ah；Q為最大電池容量,Ah。

由式(1)、式(2)可知，變換器系統(tǒng)模型具有非線性特性，這對模型的處理以及控制系統(tǒng)的設(shè)計帶來了困難。文獻[7]85中電池用變換器采用電壓電流雙閉環(huán)PID控制，達到了較為理想的控制效果，但在紋波特性上存在缺陷。為保留PID控制器優(yōu)良的控制特性并提升對該變換器系統(tǒng)的控制精度，本文采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對PID控制器進行監(jiān)督控制以實現(xiàn)對系統(tǒng)非線性的調(diào)節(jié)，避免了建模的復雜性和通常情況下建模時會忽略電池負載的非線性特性。

2 變換器控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 電壓電流雙閉環(huán)控制

A、B兩相電流內(nèi)環(huán)以流經(jīng)各自線路濾波電感的電流作為各自控制環(huán)的反饋。當給予兩電流控制環(huán)相同的電流給定值時，即使A、B兩相線路電流值不同，通過各自控制環(huán)進行PI調(diào)節(jié)逼近給定值，可以實現(xiàn)均流的目的并有效抑制線路環(huán)流的形成。

1)恒流控制

關(guān)閉電壓環(huán)給予A、B兩相電流環(huán)的均分給定量，使A、B兩相電流環(huán)有相同的電流給定值。給定值需依據(jù)蓄電池屬性合理安排，負值實現(xiàn)充電狀態(tài)，正值實現(xiàn)放電狀態(tài)。

2)恒壓控制

圖3 雙向DC-DC變換器基本控制圖

如圖3所示，恒壓給定量Ur與電池電壓Ubat比較后經(jīng)PI調(diào)節(jié)再均分為兩個電流環(huán)的給定值，并通過PWM控制實現(xiàn)恒壓的目的。恒壓控制可用于電池的充放電(電流環(huán)給定需補償)，也可以使蓄電池運行在充放電交替狀態(tài)，用于維持直流側(cè)電壓的恒定。

2.2 RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與監(jiān)督算法實現(xiàn)

1)RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4 RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4所示為1-J-1型的RBF網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，單節(jié)點輸入層傳遞信號至隱含層，隱含層J個單元的中心向量和寬度向量預先確定，網(wǎng)絡(luò)僅隱含層與輸出層之間的權(quán)值可調(diào)。隱含層執(zhí)行一種固定的非線性變換，將輸入空間映射到含J個單元隱含層空間，輸出層在該空間實現(xiàn)線性組合。這種映射關(guān)系使得RBF網(wǎng)絡(luò)能夠快速收斂并具有唯一最佳逼近的特性，因此其適用于實時控制。

2)RBF網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制算法

在RBF網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制中，初始階段為PI控制，而后過渡到RBF網(wǎng)絡(luò)控制。當控制過程中出現(xiàn)較大誤差時，PI控制起主導作用，RBF網(wǎng)絡(luò)起調(diào)節(jié)作用，其控制原理如圖5所示。具體算法如下：

隱含層的徑向基向量為H= [H1,H2,H3…HJ]T，Hm為高斯函數(shù)，則：

(3)

式中：m=1,2,3…J;X(k)為網(wǎng)絡(luò)輸入，中心向量cm= [c11,c12,c13,…,c1m]；標準偏差(寬度向量)bm=[b1,b2,b3,…,bm]T。cm-bm向量元的數(shù)目與大小是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的關(guān)鍵，這一確定過程目前通用手段是先設(shè)計再檢驗，本文依據(jù)PI控制下系統(tǒng)的狀態(tài)量來調(diào)試網(wǎng)絡(luò)。

設(shè)權(quán)值向量為：

W=[W1,W2,W3,..,WJ]T

RBF網(wǎng)絡(luò)輸出為：

(4)

圖5 RBF網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

在圖5中，以A相電流環(huán)為例，RBF網(wǎng)絡(luò)輸入X(k)為is(k)，由電壓外環(huán)運算給定，因此RBF監(jiān)督控制僅用于恒壓控制。被控對象(PWM+DC/DC+蓄電池)的輸出即反饋量為流經(jīng)LmA電感的電流iA(k)，RBF網(wǎng)絡(luò)輸出Y(k)為un(k)。B相電流環(huán)相同。

RBF監(jiān)督控制總輸出：

u(k)=un(k)+up(k)

(5)

誤差指標為：

(6)

網(wǎng)絡(luò)權(quán)值調(diào)整算法采用梯度下降法：

(7)

權(quán)值更新：

W(k)=W(k-1)+ΔW(k)+α[W(k-1)-W(k-2)]

(8)

式中：η∈(0,1)為學習速率，用于減小學習過程的振蕩趨勢；α∈(0,1)為慣性系數(shù)，用于加快權(quán)值更新的收斂速度。

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器充當前饋控制器，其作用在于擬合被控對象的逆模型以達到抵消其非線性性質(zhì)的效果。變換器系統(tǒng)在常規(guī)PID閉環(huán)控制下獲得了良好的穩(wěn)定性，RBF網(wǎng)絡(luò)則通過對非線性被控對象的補償作用，提高對系統(tǒng)的跟蹤性能，降低了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。

3 試驗研究

為研究RBF監(jiān)督控制策略在變換器雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中的控制效果，本文基于MATLAB2015a/Simulink仿真平臺，使用電力元件模型搭建電路進行仿真研究。系統(tǒng)采樣間隔為1×10-4s。

如表1所示，電路參數(shù)設(shè)定為：Udc=600 V，Rdc=1 Ω，Cdc=4 mH直流母線側(cè)參數(shù)；電感LmA=LmB=6 mH，電阻RlmA=RlmB=1e-10 Ω濾波電感參數(shù)；Rbat=0.8 Ω，Cbat=10 mH電池負載側(cè)參數(shù)。

表1 蓄電池模型(Battery)主要參數(shù)

圖6 RBF監(jiān)督控制的Simulink實現(xiàn)

由于Simulink中神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱模塊無法完成網(wǎng)絡(luò)的在線權(quán)值調(diào)整，因此本文通過編寫S函數(shù)來實現(xiàn)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器，具體實現(xiàn)如圖6所示。

3.1 恒壓模式(以Boost工況為例)

圖7 Boost恒壓饋電蓄電池電壓電流波形(PI)

圖8 恒壓饋電蓄電池電壓電流穩(wěn)態(tài)波形(PI)

1)PI控制

饋電模式下給予電壓環(huán)400 V給定量，變換器工作在400 V恒壓放電狀態(tài)，此時蓄電池電壓電流波形如圖7所示。400 V恒壓放電下蓄電池維持較小的放電電流，其穩(wěn)態(tài)電壓電流波形如圖8所示。

2)RBF監(jiān)督控制(PI+RBF)

監(jiān)督控制下電池輸出波形如圖9所示。對比圖7可以看出，暫態(tài)過程中RBF監(jiān)督控制存在毛刺，這是因為當電壓環(huán)運算給定量is(k)的值即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入量靠近預先設(shè)定的中心向量元值時，網(wǎng)絡(luò)輸出會產(chǎn)生短暫的局部放大，但同時會使被控系統(tǒng)輸出誤差增大，此時PI起主導作用，RBF輸出下降失去主控作用而起調(diào)節(jié)作用。

圖9 Boost恒壓饋電電壓電流波形(PI+RBF)

圖10為PI+RBF控制下蓄電池電壓Ubat的穩(wěn)態(tài)波形，對比圖8可以看出，經(jīng)過RBF網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)督控制，恒壓放電下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時有效降低了穩(wěn)態(tài)誤差，使得電壓、電流波形得到了顯著改善，波形平滑且脈動減小，表明通過RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制與調(diào)節(jié)作用，可以有效地改善系統(tǒng)的非線性性質(zhì)，提高對系統(tǒng)的控制精度。

3)頻域特性比較

圖10 恒壓饋電蓄電池電壓電流穩(wěn)態(tài)波形(PI+RBF)

為研究圖8與圖10中電壓穩(wěn)態(tài)波形的頻域特性，本文通過FFT窗口進行分析(取基頻10 Hz)。取同一時段恒壓Boost工況下，PI與PI+RBF的穩(wěn)態(tài)波形，F(xiàn)FT分析結(jié)果如圖11所示。從圖11(a)可以看出，PI控制時，電壓波主要集中在0 Hz(直流量)，250 Hz以及50100 Hz頻段。為降低諧波含量可設(shè)置相應(yīng)的濾波器件。而從圖11(b)可以看出，采用PI+RBF復合控制的低頻諧波含量比例較低，主要集中在0 Hz和100 Hz。顯然經(jīng)過RBF監(jiān)督控制下的變換器可以使用較經(jīng)濟的濾波器。

圖11 Ubat波形FFT分析

3.2 工況模式切換

圖12為變換器工作模式切換下電池的輸出波形，電池參數(shù)為初始設(shè)定。由上到下依次為電池荷電量SOC，電壓Voltage，電流Current。0～7 s時，變換器工作在Buck恒流(-100 A)充電狀態(tài)，約7 s時轉(zhuǎn)入Boost恒流(200 A)放電狀態(tài)，約13 s時轉(zhuǎn)入Boost恒壓(PI+RBF)(400 V)放電狀態(tài)?？梢钥闯觯懔骺刂七m合電池的快速充放電，恒壓控制適用于電池的緩慢充放電。

圖12 工況轉(zhuǎn)換時波形圖

由圖9和圖12可知，RBF網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制下的變換器輸出波形在暫態(tài)過程中存在毛刺現(xiàn)象，若長久如此會對蓄電池壽命造成不良影響。為此，初始時系統(tǒng)可僅采用PI控制，待系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時并入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。圖13為恒壓Boost放電模式工況轉(zhuǎn)換的蓄電池輸出波形。對比圖9不難發(fā)現(xiàn)，若在PI控制下系統(tǒng)已穩(wěn)定運行時并入RBF網(wǎng)絡(luò)，能夠有效避免暫態(tài)過程中的毛刺現(xiàn)象，從而提高系統(tǒng)運行的可靠性。但是由于訓練過程的缺乏，使得網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的學習過程有所折扣，即網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)能力有所下降，但RBF監(jiān)督控制效果仍優(yōu)于PI控制。

圖13 工況轉(zhuǎn)換時波形圖(PI→PI+RBF)

4 結(jié)束語

本文提出將RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制運用于雙向DC/DC變換器的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過Simulink仿真平臺建立了基于電池用的雙向DC/DC變換器模型，進行了恒流恒壓的控制策略以及變換器工作模式之間轉(zhuǎn)換時蓄電池特性的研究。試驗結(jié)果表明，引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制可以有效調(diào)節(jié)蓄電池的非線性特性，使得其電壓電流紋波特性得到顯著改善，這對延長蓄電池壽命是極為有利的。