基于自適應滑模的儲能系統(tǒng)控制環(huán)路電氣設計

摘 要：針對儲能建筑系統(tǒng)在內(nèi)部耦合現(xiàn)象以及外部復雜擾動的影響下出現(xiàn)的儲能建筑系統(tǒng)輸出電壓不穩(wěn)定等問題，提出了一種基于滑模控制和模糊聚類分析相結(jié)合的參數(shù)自適應滑?？刂撇呗?。根據(jù)儲能系統(tǒng)雙向傳輸變換器的拓撲結(jié)構(gòu)，分析輸出電壓不穩(wěn)定的原因，在儲能變換器的控制環(huán)路中引入滑模控制，降低電壓的期望值與實際值之間的誤差，從而提升儲能變換器的電壓穩(wěn)定性，并根據(jù)幅頻特性分析法，對滑模參數(shù)變動對系統(tǒng)性能的影響進行分析，得到滑模參數(shù)的優(yōu)化范圍，為智能算法的整定奠定基礎。為進一步提升系統(tǒng)的魯棒性，引入模糊聚類分析技術，利用滑模規(guī)則和推導原理，對控制環(huán)路參數(shù)進行特征分析與特征提取，保證參數(shù)在多變環(huán)境中的優(yōu)異性。為驗證所設計的控制策略的正確性，建立儲能建筑系統(tǒng)的數(shù)字實驗模型，并設計基于自適應滑模的控制環(huán)路對其進行控制，與其他控制方法進行比較，自適應滑?？刂葡碌妮敵鲭妷壕哂休^高的電壓穩(wěn)定性，為儲能建筑系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行提供了重要保障。

關鍵詞：儲能建筑系統(tǒng); 滑?？刂? 模糊聚類分析; 魯棒性

中圖分類號： TU852

文獻標志碼： A

文章編號： 1674-8417（2024）11-0001-06

DOI：10.16618/j.cnki.1674-8417.2024.11.001

0 引 言

隨著可再生能源技術的快速發(fā)展和普及，儲能建筑系統(tǒng)作為一種有效的能源管理手段，越來越受到關注。然而，由于內(nèi)部耦合現(xiàn)象和外部復雜擾動的影響，儲能建筑系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定性面臨著嚴峻挑戰(zhàn)。特別是在儲能系統(tǒng)雙向傳輸變換器的控制過程中，電壓的期望值與實際值之間的誤差常導致系統(tǒng)性能的不穩(wěn)定［1-3］。

針對各類情況導致的系統(tǒng)電壓不穩(wěn)定等問題，傳統(tǒng)的控制方法缺乏對控制環(huán)路參數(shù)變化的實時適應能力，難以有效應對儲能建筑系統(tǒng)在不同工作條件下的優(yōu)化控制需求。基于此，文獻［4］提出了一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)PID控制相結(jié)合的改進PI控制方法，但PID控制在面對儲能建筑系統(tǒng)復雜的動態(tài)特性和非線性耦合時，難以提供足夠的精度和穩(wěn)定性;文獻［5］根據(jù)儲能變換器的數(shù)學模型，引入了模型預測控制，利用預測未來狀態(tài)來優(yōu)化控制動作，適用于負載的非線性系統(tǒng)，但模型預測控制需要準確的系統(tǒng)的模型和大量計算資源;文獻［6］設計了一種模糊控制策略，利用模糊邏輯推理處理系統(tǒng)的非線性和模糊性，具有強適應性，可在沒有精確數(shù)學模型的情況下進行控制，但模糊控制的性能高度依賴于規(guī)則庫的設計和成員函數(shù)的選擇，需大量的專家經(jīng)驗進行優(yōu)化，不符合實際工程需要。

針對上述傳統(tǒng)控制方法和各類改進控制方法的不足，本文設計了一種結(jié)合滑模控制和模糊聚類分析的自適應滑?？刂撇呗?。該策略首先利用滑模控制有效減小電壓誤差，從而顯著提升儲能建筑系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性。通過幅頻特性分析法確定滑模參數(shù)的優(yōu)化范圍，為智能算法的精確整定提供了理論基礎。此外，設計中引入了模糊聚類分析，用于優(yōu)化控制策略的決策過程，提高系統(tǒng)對復雜工作環(huán)境的適應性和魯棒性。最后，通過詳盡的數(shù)字實驗對比驗證了所提方法的正確性和有效性，證明了其在提高儲能建筑系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性和整體性能方面的顯著優(yōu)勢?；诰C合應用的控制策略不僅填補了傳統(tǒng)方法在動態(tài)響應和復雜環(huán)境適應性上的不足，也為未來類似系統(tǒng)的控制優(yōu)化提供了有力的參考和借鑒。

1 基于自適應滑模的控制環(huán)路電氣設計

儲能建筑系統(tǒng)由多種關鍵組件構(gòu)成，如儲能設備、能量管理系統(tǒng)和電氣設計部分等，各類組件相互協(xié)作以提升能源利用效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性。然而，由于系統(tǒng)內(nèi)部耦合現(xiàn)象、非線性特征等性質(zhì)的存在，儲能系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定性并不強，因此為提升儲能系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性，從而保證內(nèi)部系統(tǒng)的正常安全運行，對控制環(huán)路進行合適的電氣設計。儲能系統(tǒng)的架構(gòu)圖如圖1所示。

對圖1中儲能系統(tǒng)傳輸部分的變換器進行拓撲模型建立。儲能系統(tǒng)傳輸變換器拓撲架構(gòu)圖如圖2所示。

圖1中：U1為等效輸入電壓;U2為等效輸出電壓;S為開關管;D為二極管;L為濾波電感;C為穩(wěn)壓電容;R為負載。

在圖2的基礎上引入滑模控制?；？刂剖且环N重要的非線性控制方法，其核心概念是通過引入一個滑動面，使得系統(tǒng)狀態(tài)能夠在這個面上快速且穩(wěn)定地滑動，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)特性的精確控制。在滑?？刂浦?，通過設計合適的滑動面和控制律，可實現(xiàn)對系統(tǒng)的快速響應和強魯棒性，即使在面對模型不確定性、外部擾動和參數(shù)變化時，系統(tǒng)仍能保持穩(wěn)定運行［7-10］。根據(jù)儲能變換器拓撲結(jié)構(gòu)，建立滑?？刂频牡刃и吔蔀?/p>

式中： s——滑模面函數(shù);

ε，δ，k，η——趨近常數(shù);

B——系統(tǒng)的狀態(tài)變量。

趨近常數(shù)的取值范圍為

當系統(tǒng)的狀態(tài)收斂于平衡點時，改進變速趨近律與變速趨近律速度比值為

建立儲能變換器的數(shù)學模型為

式中： x1，x2，x3——儲能變換器的狀態(tài)變量;

Uref——期望電壓。

對式（3）進行化簡，可得：

式中： iL——電感電流;

ic——電容電流。

儲能變換器控制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

根據(jù)圖3，系統(tǒng)的特征方程為

s=l1x1+l2x2+l3x3（5）

式中： l1，l2，l3——滑模面參數(shù)。

控制環(huán)路的設計需滿足下述條件：

綜上所述，基于滑?？刂频目刂骗h(huán)路電氣設計數(shù)學模型為

式中： u——控制環(huán)路的控制輸入。

引入滑?？刂频絻δ芟到y(tǒng)的控制環(huán)路中，顯著提升了系統(tǒng)對電壓穩(wěn)定性的控制能力。通過滑?？刂频目焖夙憫匦院蛷婔敯粜?，系統(tǒng)能有效抑制外部擾動對電壓的影響，確保其在各種工作條件下保持穩(wěn)定和可靠的運行狀態(tài)。但僅靠滑?？刂拼嬖诙鄠€整定控制參數(shù)，為便于參數(shù)整定，引入模糊聚類分析技術［11-12］。

與傳統(tǒng)聚類方法不同，模糊聚類允許數(shù)據(jù)點按照一定的隸屬度分布到不同的類別中，而不是嚴格地劃分為特定類別。其核心思想是通過定義每個數(shù)據(jù)點對于每個類的隸屬度，來描述數(shù)據(jù)點與類別之間的模糊關系。模糊聚類技術的架構(gòu)流程圖如圖4所示。

利用模糊聚類分析技術對滑?？刂浦械恼▍?shù)進行自適應整定，根據(jù)期望數(shù)值與實際數(shù)值之間的大小，從而模擬分析得出適應系統(tǒng)的參數(shù)值。聚類分析計算方法采用余弦距離法，表達式為

式中： J——聚類函數(shù);

m——整定增益。

根據(jù)式（7）得出聚類分析對參數(shù)的整定誤差為

式中： e——整定誤差;

N——樣本總數(shù);

C——均值。

根據(jù)式（8），整定誤差趨勢如圖5所示。

由圖5可知，隨著聚類迭代次數(shù)的增加，整定誤差逐步減小，使得模糊聚類算法能更精確地調(diào)整類中心和隸屬度分布，從而提高聚類結(jié)果的準確性和穩(wěn)定性。此類迭代優(yōu)化過程有助于在復雜數(shù)據(jù)集中有效地發(fā)現(xiàn)潛在的數(shù)據(jù)模式和結(jié)構(gòu)，從而更好地降低整定誤差，為儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性奠定重要基礎。基于自適應滑?？刂频膬δ芟到y(tǒng)控制環(huán)路的電氣設計框圖如圖6所示［13-14］。

綜上所述，自適應滑?？刂频碾姎庠O計流程圖如圖7所示。

2 實驗對比

為驗證結(jié)合滑模控制和模糊聚類分析技術的自適應滑?？刂频挠行?，在MATLAB/Simulink數(shù)字仿真平臺上建立了數(shù)字實驗模型，并與BP神經(jīng)網(wǎng)絡算法以及傳統(tǒng)滑?？刂七M行了比較。該研究旨在探索這一新穎方法在提高控制系統(tǒng)性能方面的潛力。通過仿真實驗，評估了自適應滑?？刂圃趹獙δＰ筒淮_定性和外部擾動方面的表現(xiàn)，以及其在穩(wěn)態(tài)和動態(tài)響應中的優(yōu)勢，實驗結(jié)果將為進一步優(yōu)化控制策略提供重要的理論和實證支持。實驗參數(shù)如表1所示。

選擇負載數(shù)值躍變作為驗證系統(tǒng)電壓穩(wěn)定性的工況，可有效評估自適應滑模控制在動態(tài)響應和穩(wěn)態(tài)維持中的表現(xiàn)。通過仿真實驗模擬負載突變情況，驗證控制系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性和可靠性，進一步驗證其在實際工程中的適用性和優(yōu)越性。負載在4 s時增加50%數(shù)值的輸出電壓曲線如圖8所示。

由圖8可知，選擇在4 s時將負載從100%突變增加至150%，以評估3種控制方法在系統(tǒng)輸出電壓穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)。結(jié)果顯示，神經(jīng)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)滑?？刂葡碌妮敵鲭妷撼霈F(xiàn)了較大幅度的躍變，約為50%。相比之下，采用本文提出的自適應滑?？刂品椒ǖ妮敵鲭妷很S變幅度最小，表現(xiàn)出更強的擾動抑制能力和更高的穩(wěn)定性。此結(jié)果強調(diào)了自適應滑模控制在動態(tài)響應中的優(yōu)勢，可有效應對負載突變引起的系統(tǒng)波動，從而提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

輸入電壓在3 s時增加50%時的輸出電壓曲線如圖9所示。

由圖9可知，在3 s時，輸入電壓增加50%，在神經(jīng)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)滑?？刂葡?，電壓躍變較為顯著，而在自適應滑?？刂葡?，輸出電壓的躍變程度較小，且能在較短時間內(nèi)重新回到穩(wěn)定區(qū)域，這表明自適應滑?？刂凭哂懈玫碾妷悍€(wěn)定性。自適應滑?？刂颇軌蛴行б种茢_動，展現(xiàn)了其在動態(tài)響應管理方面的優(yōu)勢，并提高了系統(tǒng)的可靠性。

在3 s時系統(tǒng)內(nèi)部突然引入非線性負荷時的電壓曲線如圖10所示。

由圖10可知，在3 s時引入非線性負荷，神經(jīng)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)滑?？刂葡碌碾妷很S變量遠超自適應滑?？刂葡碌碾妷很S變量，進一步強調(diào)了自適應滑?？刂圃诿鎸碗s負載時，具備更為穩(wěn)定和可靠的電壓響應能力。

3 結(jié) 語

針對儲能建筑系統(tǒng)內(nèi)部耦合和外部復雜擾動對輸出電壓穩(wěn)定性的影響問題，提出了一種結(jié)合滑?？刂坪湍：垲惙治龅膮?shù)自適應滑模控制策略。相較于BP神經(jīng)網(wǎng)絡和傳統(tǒng)滑模控制，該方法利用滑?？刂圃鰪娤到y(tǒng)抵抗擾動的能力，并通過模糊聚類分析技術優(yōu)化參數(shù)，顯著改善了系統(tǒng)的輸出電壓穩(wěn)定性。這種策略有效提升了儲能系統(tǒng)在復雜工況下的運行性能和穩(wěn)定性，為儲能建筑系統(tǒng)的可靠運行提供了重要保障，具有實際工程應用的潛力。該方法不僅在理論上提升了控制策略的智能化水平，同時通過實證分析驗證了其在實際環(huán)境中的可行性和有效性，為未來儲能系統(tǒng)的設計和優(yōu)化提供了有益的指導和參考。

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Electrical Design of Control Loop for Energy Storage System

Based on Adaptive Sliding Mode

Abstract：

A parameter adaptive sliding mode control strategy based on a combination of sliding mode control and fuzzy clustering analysis is proposed to address the unstable output voltage of energy storage building systems under the influence of internal coupling phenomena and external complex disturbances.Based on the topology structure of the bidirectional transmission converter in the energy storage system，the reasons for unstable output voltage are analyzed.Sliding mode control is introduced into the control loop of the energy storage converter to reduce the error between the expected and actual voltage values，thereby improving the voltage stability of the energy storage converter.According to the amplitude frequency characteristic analysis method，the impact of sliding mode parameter changes on system performance is analyzed，and the optimization range of sliding mode parameters is obtained，laying the foundation for the tuning of intelligent algorithms.To further enhance the robustness of the system，fuzzy clustering analysis technology is introduced，and sliding mode rules and derivation principles are used to perform feature analysis and feature extraction on the control loop parameters，ensuring their excellent performance in variable environments.To verify the correctness of the designed control strategy，a digital experimental model of the energy storage building system was established，and a control loop based on adaptive sliding mode was designed to control it.Compared with other control methods，the output voltage under adaptive sliding mode control has high voltage stability，providing important guarantees for the safe and stable operation of the energy storage building system.

Key words：

energy storage building system; sliding mode control; fuzzy clustering analysis; robustness