本發(fā)明涉及一種基于自抗擾控制(activedisturbancerejectioncontrol，adrc)的pwm充放電電路建模方法，屬于電力電子技術(shù)和車電互聯(lián)(v2g)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)的電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)新型控制方法。

背景技術(shù)：

隨著人們生活水平的提高，以及社會(huì)對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求，電動(dòng)汽車作為一種節(jié)能、高效、無(wú)污染的現(xiàn)代交通工具，在生活中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用，而且會(huì)逐步成為城市交通工具的主導(dǎo)。而其中的充電機(jī)，對(duì)電動(dòng)汽車的應(yīng)用起著關(guān)鍵性作用。隨著電網(wǎng)智能水平以及電動(dòng)汽車保有量的大幅提高，未來(lái)電動(dòng)汽車的車載電池可能作為智能電網(wǎng)中的移動(dòng)儲(chǔ)能單元，在電網(wǎng)高峰負(fù)荷時(shí)一段由電動(dòng)汽車車載電池向電網(wǎng)傳輸電能，而在電網(wǎng)非高峰負(fù)荷時(shí)一段由電網(wǎng)為電動(dòng)汽車車載電池充電，這種雙向的電能流動(dòng)稱為車電互聯(lián)(vehicletogrid，v2g)。v2g技術(shù)的應(yīng)用能夠有效降低電網(wǎng)峰谷差，降低傳統(tǒng)調(diào)峰備用發(fā)電容量，提高電網(wǎng)利用效率；而且在可再生能源發(fā)電比重較高的微電網(wǎng)系統(tǒng)中可以有效平衡可再生能源發(fā)電功率的波動(dòng)性和電網(wǎng)負(fù)荷狀態(tài)之間的不同步性，輔助電網(wǎng)有效接納波動(dòng)的可再生能源發(fā)電容量。

目前，晶閘管移相控制仍是國(guó)內(nèi)使用最廣泛的電動(dòng)汽車蓄電池充放電技術(shù)，但這種技術(shù)存在電網(wǎng)側(cè)電流波形畸變嚴(yán)重、功率因數(shù)低、對(duì)電網(wǎng)污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，采用dc/dc變換器技術(shù)的充放電系統(tǒng)逐步得到推廣。該系統(tǒng)由隔離的dc/dc變換器和降壓斬波器組成，缺點(diǎn)是在電池放電時(shí)只能對(duì)電阻放電，電能不能回饋電網(wǎng)，因而會(huì)造成能量的大量浪費(fèi)。因此，有必要采用一種適合整流器及控制電路對(duì)其進(jìn)行分析和建模，改善其諧波影響。研究一種新的控制方法也是對(duì)電力電子電路分析的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容。為此，在常規(guī)電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，基于自抗擾控制而提出了一種由電壓型pwm整流器構(gòu)成的具有功率因數(shù)高、工作頻率高、體積小和諧波含量小等特點(diǎn)的電動(dòng)汽車v2g雙向充放電裝置，其放電能量可以全部回饋電網(wǎng)，以提高能量的利用率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新穎的pwm充放電電路建模方法，找到一種基于觀測(cè)器的具有智能性的控制策略，它不依賴于對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型；具有較高動(dòng)態(tài)性能，能抑制參數(shù)變化、擾動(dòng)及各種不確定性干擾，即魯棒性強(qiáng)；算法簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)容易，使用方便。

本發(fā)明的技術(shù)方案是:

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種基于自抗擾控制器的電動(dòng)汽車充放電控制方法，其特征在于，至少包括以下步驟：

步驟a、構(gòu)建電動(dòng)汽車充放電的模型；

步驟b、自抗擾控制器概述；

步驟c、建立雙向充放電系統(tǒng)中ac/dc和dc/dc的數(shù)學(xué)模型，并根據(jù)充放電系統(tǒng)兩級(jí)系統(tǒng)模型建立自抗擾控制器；

步驟d、仿真分析。

進(jìn)一步的，所述的自抗擾控制器是基于擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器eso的自抗擾控制。

進(jìn)一步的，所述的自抗擾控制器的電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)是將自抗擾控制器應(yīng)用在電動(dòng)汽車充電機(jī)模塊中，將其中的電動(dòng)汽車充電機(jī)的數(shù)學(xué)模型化成自抗擾控制器所需要的標(biāo)準(zhǔn)型，從而利用自抗擾控制器將系統(tǒng)的未建模動(dòng)態(tài)，對(duì)象的不確定性及未知外擾一并給予估計(jì)和補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，所述的仿真分析是基于ladrc，建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電流、電壓空間矢量的充放電系統(tǒng)模型。

進(jìn)一步的，步驟b中自抗擾控制器是一種魯棒控制，是把對(duì)象模型的不確定性當(dāng)作系統(tǒng)的內(nèi)擾，它和系統(tǒng)的外擾均被看成系統(tǒng)的擾動(dòng)，而通過(guò)擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器對(duì)系統(tǒng)中包括內(nèi)擾和外擾的總擾動(dòng)綜合作用進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償。

進(jìn)一步的，自抗擾控制器是由微分跟蹤器、擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器、非線性組合三部分組成；其中微分跟蹤器用于安排過(guò)渡過(guò)程，其中擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器通過(guò)系統(tǒng)輸入輸出來(lái)估計(jì)系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)的總擾動(dòng)，其中非線性組合利用安排的過(guò)渡過(guò)程與狀態(tài)估計(jì)之間誤差的非線性組合及擾動(dòng)估計(jì)量來(lái)生成控制信號(hào)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果:

對(duì)于電動(dòng)汽車的雙向充放電系統(tǒng)，以往大量的研究都在pi控制，傳統(tǒng)pi控制具有不依賴模型的優(yōu)點(diǎn)，但其控制存在快速性與超調(diào)之間的矛盾。為解決這一問(wèn)題，采用了線性自抗擾控制技術(shù)，該控制器在簡(jiǎn)化控制系統(tǒng)的同時(shí)與傳統(tǒng)pi控制器相比：①克服了一般pid控制系統(tǒng)超調(diào)較大的缺欠，有效地解決了參數(shù)時(shí)變對(duì)系統(tǒng)解耦性能的影響以及控制系統(tǒng)存在的快速性與平穩(wěn)性矛盾；②自抗擾控制器不依賴于被控系統(tǒng)的具體數(shù)學(xué)模型并對(duì)內(nèi)外擾有較強(qiáng)的抗擾能力：仿真結(jié)果表明自抗擾控制器對(duì)模型的不確定性以及測(cè)量噪聲的魯棒性較好，而且它還具有較優(yōu)的動(dòng)態(tài)性能。

附圖說(shuō)明

附圖1本發(fā)明電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2本發(fā)明電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)ac/dc控制策略示意圖；

附圖3本發(fā)明電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)dc/dc控制策略示意圖；

附圖4本發(fā)明電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)ac/dc的ladrc結(jié)構(gòu)框圖；

附圖5本發(fā)明電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)dc/dc的ladrc結(jié)構(gòu)框圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例：

圖1為v2g雙向充放電裝置的基本結(jié)構(gòu)示意圖。其主回路主要由三相交流電源、變流模塊、軟啟動(dòng)電路和蓄電池組4部分構(gòu)成。變流模塊采用由igbt模塊構(gòu)成的電壓型pwm整流器，輸出采用電容濾波。

pwm整流器充電時(shí)工作在整流狀態(tài)，放電時(shí)工作在逆變狀態(tài)，蓄電池的電能回饋電網(wǎng)?？刂苹芈钒妷弘娏鞑蓸与娐?，同步信號(hào)處理單元，微機(jī)控制單元。電壓電流采樣電路完成電壓、電流模擬信號(hào)的采集和處理，并將處理后的信號(hào)傳送到微機(jī)控制單元；微機(jī)控制單元以高端dsp器件tms320f2812為核心，在獲取充放電指令、工作模式、參數(shù)設(shè)置等信息后，在自檢系統(tǒng)無(wú)故障情況下，根據(jù)特定運(yùn)行模式開(kāi)始工作，利用檢測(cè)電路采集到的電壓、電流等反饋信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)閉環(huán)控制并驅(qū)動(dòng)變流模塊單元，進(jìn)而完成蓄電池的充放電控制。故障診斷處理單元主要進(jìn)行缺相、過(guò)流、超溫等系統(tǒng)保護(hù)。

本發(fā)明基于自抗擾控制器的電動(dòng)汽車充放電控制方法(見(jiàn)圖2、圖3)本發(fā)明中，步驟a中的電動(dòng)汽車充電機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是一個(gè)非線性、強(qiáng)耦合的多變量系統(tǒng)。建立三相全橋電壓源型逆變器的數(shù)學(xué)模型是對(duì)其進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)，是設(shè)計(jì)合理的控制參數(shù)的前提。為了簡(jiǎn)化模型，方便研究，做如下假設(shè)：

1)所有開(kāi)關(guān)器件均為理想器件，忽略死區(qū)時(shí)間；

2)開(kāi)關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓頻率，在相鄰幾個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入電壓和輸出電壓均保持不變；

3)濾波電感為線性的，不考慮飽和；濾波電容為理想電容，忽略寄生電感和寄生電阻。

由于ac/dc變流器屬于混雜是系統(tǒng)，存在開(kāi)關(guān)元件，傳統(tǒng)建模利用開(kāi)關(guān)特性建模，而對(duì)于ladrc控制器具有估計(jì)并消除系統(tǒng)擾動(dòng)的特性，不需要知道系統(tǒng)精確數(shù)學(xué)模型的特性，可采用占空比的方式建模：

根據(jù)圖1的ac/dc等效模型電路圖，由電路的基爾霍夫定律，可以得到pwm變流器的a、b、c三相坐標(biāo)系下的狀態(tài)方程：

采用式(1)的三相靜止坐標(biāo)系進(jìn)行三相pwm變流器的間接電流控制，是無(wú)法實(shí)現(xiàn)電流無(wú)靜差控制和優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能的。因此，為得到更好的控制效果，需采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制，即將式(1)變換到d-q坐標(biāo)系下，可得微分狀態(tài)方程為:

由式(2)可知：d軸與q軸變量互相耦合，會(huì)給控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來(lái)一定的困難。為此可采用自抗擾控制策略，將具有耦合的量當(dāng)做擾動(dòng)進(jìn)行處理。其中電壓控制是ac/dc的關(guān)鍵，當(dāng)充放電系統(tǒng)的工作在充電狀態(tài)時(shí)，ac/dc變流器處于整流狀態(tài)，需要維持中間直流電壓udc的穩(wěn)定，為dc/dc提供穩(wěn)定的電壓支撐。而工作在放電狀態(tài)下，ac/dc工作在逆變狀態(tài)，其則需要維持交流母線電壓穩(wěn)定。

本發(fā)明外環(huán)交流輸出電壓采用線性自抗擾控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)電壓差量迅速進(jìn)行調(diào)節(jié)，補(bǔ)償非線性擾動(dòng)，穩(wěn)定輸出電壓；內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用傳統(tǒng)pi控制，以提升電流響應(yīng)的快速性。當(dāng)系統(tǒng)存在來(lái)自外部或內(nèi)部擾動(dòng)時(shí)，可能會(huì)引起并網(wǎng)沖擊電流，線性自抗擾控制技術(shù)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，可以對(duì)擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行消納，及較短的暫態(tài)過(guò)程，可為微電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行提供保障。同時(shí)加入系統(tǒng)模型，及時(shí)跟蹤參考電壓信號(hào)，增強(qiáng)控制系統(tǒng)的靈活性。根據(jù)式(2)：選取ud、uq作為一階系統(tǒng)設(shè)計(jì)外環(huán)ladrc控制的狀態(tài)變量。由此，為維持交流母線電壓穩(wěn)定，可令交流母線電壓dq軸分量ud和uq分別作為狀態(tài)變量，系統(tǒng)參數(shù)b0＝1/cdc以及控制率u＝id，設(shè)計(jì)二階ladrc控制器對(duì)交流母線電壓進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)ac/dc放電控制。

相對(duì)于孤網(wǎng)下垂控制，而對(duì)于并網(wǎng)后的pq控制，由配電網(wǎng)提供電壓支撐，通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度指令給定有功p和無(wú)功q的大小，然后根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功率理論計(jì)算得到有功電流和無(wú)功電流大小作為控制器參考值，所以僅需要根據(jù)實(shí)時(shí)的有功功率和無(wú)功功率對(duì)電流環(huán)進(jìn)行控制，則只采用單環(huán)電流pi控制。

當(dāng)雙向dc/dc變換器工作于boost模式時(shí)，控制高壓側(cè)電壓穩(wěn)定；當(dāng)雙向dc/dc變換器工作于buck模式時(shí)，控制低壓側(cè)電壓穩(wěn)定。因此，對(duì)于dc/dc變換器工作的不同模式，需要分別設(shè)計(jì)控制器。

參見(jiàn)附圖4，設(shè)計(jì)本發(fā)明步驟c中的充電模式自抗擾控制器，恒壓控制采用外環(huán)動(dòng)力電池端電壓和內(nèi)環(huán)電感電流雙閉環(huán)控制，電流內(nèi)環(huán)的作用是按電壓外環(huán)輸出的電流指令進(jìn)行電流控制，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。電壓外環(huán)的作用是為了維持動(dòng)力電池端電壓的穩(wěn)定。

參見(jiàn)附圖5，其放電模式與充電模式下buck的控制類似，采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略以穩(wěn)定中間直流電壓，而電流內(nèi)環(huán)可使系統(tǒng)具有快速限制電池電流的能力。選取uc作為外環(huán)ladrc控制狀態(tài)變量，同時(shí)以il作為控制率u對(duì)內(nèi)環(huán)作為參考輸入設(shè)計(jì)控制器。

通過(guò)a/d采樣得到電壓ua、ub、uc，電流ia、ib、ic，經(jīng)過(guò)3s/2r變換將整流器在三相坐標(biāo)系中的系統(tǒng)變量變換到兩相同步旋轉(zhuǎn)d-q坐標(biāo)系中，得到d軸和q軸的分量ed、eq、id、iq。直流電壓給定值與反饋值(或直流電流給定值和反饋值)的差值通過(guò)pi調(diào)節(jié)器控制；中間直流電壓udc與參考直流電壓udcref進(jìn)行比較，并根據(jù)不同狀態(tài)加以模型進(jìn)行自抗擾控制；通過(guò)電網(wǎng)調(diào)度指令給定有功p和無(wú)功q的大小，然后根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功率理論計(jì)算得到有功電流和無(wú)功電流大小作為控制器參考值；最后通過(guò)pwm的空間矢量調(diào)制算法，即可生成相應(yīng)6路驅(qū)動(dòng)脈沖控制三相整流橋igbt的通斷，最終滿足蓄電池充放電特性的需求。充放電模式切換控制主要實(shí)現(xiàn)恒流充電、恒壓限流充電、涓流充電的階段控制，以及直流電壓和直流電流外環(huán)控制的平滑切換動(dòng)作。

本發(fā)明步驟d中的仿真分析是基于ladrc，建立了同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系電流控制、電壓空間矢量控制及自抗擾控制的電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)，為了研究該系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和對(duì)參數(shù)的魯棒性，與傳統(tǒng)pi調(diào)節(jié)的電動(dòng)汽車充放電系統(tǒng)進(jìn)行了比較。利用matlab/simulink對(duì)恒流充電、恒壓限流充電、涓流充電的階段進(jìn)行了大量的仿真研究。仿真結(jié)果表明整個(gè)系統(tǒng)具有很好的動(dòng)、靜態(tài)性能；對(duì)運(yùn)行工況的變化具有良好的適應(yīng)性，并且對(duì)負(fù)載擾動(dòng)、系統(tǒng)參數(shù)變化等具有較好的魯棒性；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)和參數(shù)調(diào)節(jié)容易。分析原因，是因?yàn)榫€性自抗擾控制繼承了自抗擾控制的優(yōu)點(diǎn)，尤其是leso像eso一樣能估計(jì)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中受到的各種內(nèi)部與外部擾動(dòng)的總和并加以完全補(bǔ)償，從而使系統(tǒng)線性化為積分串聯(lián)型結(jié)構(gòu)，進(jìn)而簡(jiǎn)化了控制對(duì)象，提高了系統(tǒng)的性能。顯然，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了系統(tǒng)采用的ladrc和觀測(cè)器的有效性與可行性。

應(yīng)當(dāng)明確的是，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，按本發(fā)明構(gòu)思所做出的顯而易見(jiàn)的改進(jìn)和修飾都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。