基于一致性算法的級(jí)聯(lián)H橋直流變換器研究

黃從勝 程志江 陳星志

摘? 要： 針對(duì)多個(gè)H橋的接入和接出，造成各路變流器不均流均壓?jiǎn)栴}，提出群系統(tǒng)一致性策略對(duì)群H橋模塊進(jìn)行協(xié)同控制。考慮H橋通信拓?fù)浜托畔⒔换?quán)值以及H橋模塊接入和接出系統(tǒng)等情況，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定特性，然后將所有H橋一致性信息與電壓電流雙閉環(huán)控制策略相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了群H橋電流狀態(tài)快速一致和電壓的穩(wěn)定。通過(guò)Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，所提出的控制方案能有效地實(shí)現(xiàn)群H橋變流器的電流一致和電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的魯棒性，對(duì)大規(guī)模的混合儲(chǔ)能接入微電網(wǎng)有一定的理論意義。

關(guān)鍵詞： H橋直流變換器; 一致性算法; 混合儲(chǔ)能; 雙閉環(huán)控制; 協(xié)同控制; 仿真分析

中圖分類號(hào)： TN624?34; TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2020）06?0005?04

Research on cascaded H bridge DC/DC converter based on consistency algorithm

HUANG Congsheng， CHENG Zhijiang， CHEN Xingzhi

（College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract： In allusion to the problem of various converters′ uneven current and voltage sharing caused by the I/O connection of multiple H bridges， a cluster system consistency strategy is proposed for the cooperative control of cluster H bridge modules. In consideration of the H bridge communication topology， information exchange weights， the I/O connection of the H bridge module and so on， the stability characteristics of the system are analyzed， and then all the H bridge consistency information is combined with the voltage and current double closed?loop control strategy， so as to realize the fast consistency of current state and the voltage stability of cluster H bridges. The simulation results obtained by Matlab/Simulink show that the proposed control scheme can effectively achieve the current consistency and the voltage stability of the cluster H bridge converters， and improve the robustness of the system. It has a certain theoretical significance for the large?scale hybrid energy storage access to microgrid.

Keywords： H bridge DC/DC converter; consistency algorithm; hybrid energy storage; double closed?loop control; cooperative control; simulation analysis

0? 引? 言

隨著能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題受重視程度日益增加，微電網(wǎng)作為風(fēng)電、光伏利用的一種重要形式，已成為研究熱點(diǎn)。微電網(wǎng)的運(yùn)行效果與逆變器的控制直接相關(guān)，在研究?jī)?chǔ)能系統(tǒng)等微電網(wǎng)中的問(wèn)題時(shí)，必須有適合的逆變器控制策略。為有效解決新能源發(fā)電存在的間歇性、不確定性、波動(dòng)性問(wèn)題，微電網(wǎng)系統(tǒng)中必須配置一定的儲(chǔ)能裝置[1]。儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在微電網(wǎng)中具有獨(dú)特的雙向調(diào)節(jié)作用，主要是它可以作為發(fā)電單元和負(fù)荷單元，提升了可再生能源接入大電網(wǎng)的并網(wǎng)比例。儲(chǔ)能并網(wǎng)裝置的選取也影響儲(chǔ)能系統(tǒng)接入大電網(wǎng)的比例，儲(chǔ)能裝置通過(guò)級(jí)聯(lián)H橋可以形成高壓輸出滿足電網(wǎng)的容量和電壓等級(jí)的需求，同時(shí)儲(chǔ)能單元基于級(jí)聯(lián)H橋可以采用分布式的方式，易于儲(chǔ)能系統(tǒng)的擴(kuò)容。

目前有文獻(xiàn)對(duì)級(jí)聯(lián)H橋直流變換器用作儲(chǔ)能并網(wǎng)裝置進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]提出了一種交錯(cuò)和同步并聯(lián)控制方式，解決了母線電壓的穩(wěn)定以及各路電流的一致，使系統(tǒng)的輸出一致;文獻(xiàn)[3]提出基于正負(fù)序電流解耦的控制方式，解決了級(jí)聯(lián)H橋變流器的直流母線電壓平衡等問(wèn)題;文獻(xiàn)[4]通過(guò)推導(dǎo)整流器的調(diào)制比增量與輸出電壓之間的關(guān)系式，然后通過(guò)反饋的直流電壓重新配置調(diào)制比，以調(diào)節(jié)各路直流電壓，使之達(dá)到平衡;文獻(xiàn)[5]提出一種在相間注入零序和負(fù)序電壓的補(bǔ)償方式，解決了電壓電流平衡問(wèn)題;文獻(xiàn)[6]通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析來(lái)研究H橋直流變換器。這些研究提高了系統(tǒng)的魯棒性和效率，但是對(duì)H橋模塊的均流均壓控制研究主要集中在平均電流法、電壓電流雙閉環(huán)法、開(kāi)關(guān)數(shù)學(xué)函數(shù)建模和控制補(bǔ)償?shù)?。這些控制方法都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)大規(guī)模的電池接入和接出不能進(jìn)行有效的控制。

本文將超級(jí)電容和鉛酸蓄電池構(gòu)成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，同時(shí)采用交直流復(fù)合母線[7]。分布式儲(chǔ)能單元通過(guò)級(jí)聯(lián)H橋接入直流母線，將儲(chǔ)能裝置和H橋當(dāng)作一個(gè)智能體單元。智能體單元之間通過(guò)特定的通信協(xié)議與相鄰智能體之間進(jìn)行信息交換來(lái)滿足系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化，使系統(tǒng)的電壓和電流穩(wěn)定，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，利于新能源的大規(guī)模應(yīng)用和消納能力。

1? 級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

H橋的直流側(cè)為電池儲(chǔ)能單元，采用分布式的配置方式，每一路多個(gè)H橋模塊級(jí)聯(lián)輸出，開(kāi)關(guān)器件可以選擇MOSFET或IGBT，如圖1所示。這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)高電壓等級(jí)的輸出和提高開(kāi)關(guān)頻率，并網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的諧波很小，同時(shí)電池能量管理系統(tǒng)容易設(shè)計(jì)和儲(chǔ)能系統(tǒng)便于擴(kuò)容等優(yōu)點(diǎn)。因此，級(jí)聯(lián)H橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以構(gòu)建大容量和高電壓等級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。

2? 群H橋控制策略設(shè)計(jì)

2.1? 分布式H橋一致性雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

由于H橋可以形成高壓輸出，要保證每個(gè)H橋直流側(cè)儲(chǔ)能單元電壓穩(wěn)定，以及整個(gè)微電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)考慮級(jí)聯(lián)H橋的特點(diǎn)，采用群系統(tǒng)一致性算法，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，系統(tǒng)采用雙環(huán)控制方案，即電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)都采用PI控制。將采樣的直流母線電壓[vDC]與參考電壓[U*]比較，經(jīng)過(guò)電壓積分環(huán)節(jié)得到電流參考值[i*]。將采集的各支路電流[iL1，iL2，iL3]經(jīng)一致性算法與參考電流i*比較，經(jīng)電流積分環(huán)節(jié)得到占空比d，最后通過(guò)控制占空比來(lái)控制各個(gè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)和關(guān)，最終保證微電網(wǎng)的直流母線電壓[vDC]穩(wěn)定和H橋輸出電流狀態(tài)一致。

雙閉環(huán)方案的表達(dá)式為：

式中：[kiv，kpv]分別為電壓PI的系數(shù);[kic，kpc]分別為電流PI的系數(shù)。

2.2? 基于MAS一致性理論的群H橋變流器控制協(xié)議

在含H橋的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，將電池單元和H橋考慮成一個(gè)智能體，智能體之間通過(guò)通信協(xié)議與相鄰智能體交互信息;再利用基于MAS的協(xié)調(diào)控制方案來(lái)控制變量達(dá)到預(yù)先設(shè)定值[8];然后利用一致性算法通過(guò)設(shè)定的相鄰智能體間的邊權(quán)來(lái)達(dá)到群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互，以此到達(dá)分布式單元的狀態(tài)一致或輸出一致。一致性算法模型如圖3所示。

本文考慮的是離散形式的一致性算法，則群系統(tǒng)一致性算法的表達(dá)形式為：

式中：[xi]為iLi的狀態(tài);aij為變流器間的連接狀態(tài)，aij=[110]表示有/無(wú)連接;Ni為鄰接矩陣，即變流器i對(duì)應(yīng)的所有鄰近節(jié)點(diǎn)集合;[ε]為邊權(quán)。

從系統(tǒng)的角度看，為保證電流輸出一致，迭代算法的向量形式可以表示為：

式中：[x（k）=iL1k，iL2k，…，iLikT];W是通信網(wǎng)絡(luò)的權(quán)矩陣。

如果考慮通信網(wǎng)絡(luò)的邊權(quán)，則W可以被改寫成：

式中，L被稱為通信網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣[9?10]。

一致性算法的最終迭代結(jié)果[Xeq]為：

式中：1是所有元素全為1的向量;x（0）是電流采集初始值構(gòu)成的向量。

3? 仿真與分析

在Simulink下搭建以級(jí)聯(lián)數(shù)目N=2的H橋直流變換器分析，采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)方式進(jìn)行信息交換。為了保證通信算法的穩(wěn)定性和快速收斂性，必須保證正確的邊權(quán)[ε]和合適的譜半徑[ρ]，根據(jù)式（7）選擇合適的邊權(quán)值[11]：

式中，[λi（L）]是對(duì)稱矩陣的最大特征值。

根據(jù)圖3的一致性算法模型，選擇合適的拉普拉斯矩陣L和邊權(quán)[ε]。分布式智能體單元的初始值x（0）=[19，15，12，8，5，1]，仿真結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可知，不同的邊權(quán)值對(duì)應(yīng)不同的收斂速度，當(dāng)[ε=16]時(shí)，系統(tǒng)具有最小的譜半徑和最快的收斂速度。

根據(jù)以上分析，在保證系統(tǒng)輸出一致，選擇合適的系統(tǒng)仿真參數(shù)，如表1所示。

直流母線的電壓和變流器的電流波形如圖5所示。

由圖5可知，分布式儲(chǔ)能單元向電網(wǎng)充電，每個(gè)變流器均分得到電流，微電網(wǎng)直流母線電壓保持在150 V。0.3 s時(shí)，加入負(fù)載，微電網(wǎng)直流母線電壓下降，儲(chǔ)能單元需要放電，則總電流增加，每個(gè)變流器電流增加到25 A，同時(shí)微電網(wǎng)直流母線電壓下降0.5 V，但是在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到150 V。0.6 s時(shí)，負(fù)載退出，總電流減小，每個(gè)變流器電流又回到原來(lái)值，微電網(wǎng)直流母線電壓上升0.5 V，但是在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到150 V。增加和減少負(fù)載，電流的變化趨勢(shì)和電壓一樣，主要是儲(chǔ)能系統(tǒng)的加入，微電網(wǎng)直流母線電壓基本保持不變，但是由于儲(chǔ)能系統(tǒng)需要一定的響應(yīng)時(shí)間，所以電壓出現(xiàn)一些細(xì)小的波動(dòng)。

當(dāng)其中一個(gè)變換器突然出現(xiàn)故障導(dǎo)致原來(lái)的通信拓?fù)涓淖儯儞Q器的電流波形如圖6所示。在0.5 s時(shí)，系統(tǒng)中一個(gè)變換器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致原來(lái)的通信拓?fù)浒l(fā)生改變，并且在同時(shí)增加負(fù)載情況下，直流微電網(wǎng)依舊穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)變流器電流達(dá)到75 A，此后電流一直穩(wěn)定在75 A，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

級(jí)聯(lián)H橋儲(chǔ)能直流變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中a，b，c三條支路是相互獨(dú)立的，采用一致性算法和平均電流控制算法，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，不同算法下變換器輸出電流波形出現(xiàn)不同。圖7中，變換器輸出電流波形基本一致，誤差都在規(guī)定的范圍內(nèi)。圖8中，電流的輸出出現(xiàn)偏差，這是由于H橋變換器輸出電阻的影響。通過(guò)上面的分析可知，一致性算法可以更好地解決變換器輸出電流的一致性。

4? 結(jié)? 論

通過(guò)以上的仿真結(jié)果，可以看出，搭建含級(jí)聯(lián)H橋直流變換器的微電網(wǎng)在采用群系統(tǒng)一致性算法下，有以下優(yōu)點(diǎn)：

1） 智能體之間通過(guò)通信協(xié)議與相鄰智能體交互信息并通過(guò)選擇合適的邊權(quán)來(lái)提高群智能體單元的收斂速度。

2） 在一致性算法下，各變換器輸出的電流一致，電壓狀態(tài)穩(wěn)定。

3） 在智能體單元接入和退出情況下，群系統(tǒng)一致性算法結(jié)合雙環(huán)控制方法使各個(gè)H橋變換器輸出保持狀態(tài)一致，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)大規(guī)模的混合儲(chǔ)能接入微電網(wǎng)有一定的理論意義。

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