一种用于多混合能源系统的直流母线电压稳定方法

1.本发明属于多混合能源系统的特种车辆领域，具体涉及了一种用于多混合能源系统的多混合能源系统的特种车辆直流母线电压稳定方法。在维持车辆直流母线电压稳定的前提下，实现运行成本最低。


背景技术：

2.多混合能源系统的特种车辆(special vehicle with multi hybrid energy system)是采用多种能源为其动力源(如发动机、发电机、超级电容、蓄电池等)的一类新型的特种车辆，与纯电动车辆相比由于采用了多种动力源为其提供动力，因此多混合能源系统的特种车辆的续航里程比纯电动车辆的续航里程长，也是特种车辆未来发展的一个颇有前景的方向；由于多混合能源系统的特种车辆采用了超级电容作为其一种动力源，在频繁启停的工况下可以充分发挥电动机和其他储能元件的特性，降低发动机对化石燃料的消耗，使多混合能源系统的特种车辆运行在油耗和污染最低的工况下。多混合能源系统的特种车辆结合电能和传统机械能来代替传统汽车凭借机械、电气、液压和气动系统去驱动汽车的各个子系统，各类电力电子器件、电动机驱动器和控制数字信号的处理器领域的最新进展已经为改善汽车电气系统的性能和运行可靠性提供了保证。
3.多混合能源系统的特种车辆直流母线电压稳定是多混合能源系统的特种车辆正常运行的重要指标之一，各种精密设备能够正常运行得益于直流母线电压的稳定，此外使用直流电供电的设备若想各种在最佳运行状态也离不开直流母线电压的稳定。由于各种设备经常通过电力电子变换装置接到直流母线上，因此常见的维持母线电压稳定的方法都落脚于对电力电子设备的控制之上，尤其是对双向dc/dc变换器和双向dc/ac变换器的控制之上。但传统的控制方法仅仅考虑直流母线电压的稳定之上，没有考虑到多混合能源系统的特种车辆中储能系统中的超级电容和蓄电池的寿命影响，因此无法做到在维持多混合能源系统的特种车辆直流母线电压稳定的基础之上达到运行成本最低的效果。


技术实现要素：

4.为了在维持多混合能源系统的特种车辆直流母线电压稳定基础之上实现运行经济的最大化，根据多混合能源系统的特种车辆在各种不同运行工况下对直流母线稳定性的扰动，结合相关优化算法实现多混合能源系统的特种车辆在运行过程中运行成本最低，为此本发明提出了一种用于多混合能源系统的直流母线电压稳定方法。相比较只考虑维持直流母线电压稳定的方法，本发明更加具有经济效益；与只考虑运行成本的优化策略相比，本发明维持了直流母线电压稳定性，因此更加具有实际意义。此外，本发明采用多阶段优化的策略，并将电力变换器的功率电压下垂关系以等式约束的形式引入到目标函数中，实现了使系统工作在最佳状态，动力电池组和超级电容组工作状态根据特定给的工况特征进行合理变化，能够对能量需求起到更好的“削峰填谷”的作用。
5.本发明优点在于：
6.(1)与只考虑经济性的优化策略相比，本发明考虑利用储能系统的下垂特性来维持多混合能源系统的特种车辆直流母线电压的稳定性，更加符合实际情况。
7.(2)与传统维持直流母线电压方法相比，由于本发明考虑到多混合能源系统的特种车辆运行情况，并采用动态规划的优化策略，可以实现在维持直流母线电压稳定的基础之上实现经济的最大化。
8.(3)本发明将变换器的下垂特性以等式约束的形式引入到目标函数中去，结合改进的动态规划的方法，可以将直流母线电压稳定与车辆经济运行有机结合，从而对多混合能源系统的特种车辆运行具有比较有意义的理论价值。
附图说明
9.本发明所提供的相关附图是为了更好的去理解本发明，本发明实施例和相关附图用来进一步阐述本发明的相关内容，但并不能用来限制本发明的保护范围。相关附图内容如下：
10.图1一种用多混合能源系统的直流母线电压稳定方法的总体流程图；
11.图2是本发明采用的多混合能源系统的特种车辆系统供电结构；
12.图3是仅超级电容供能时车辆的功率流向；
13.图4是仅蓄电池供能时车辆的功率流向；
14.图5是蓄电池与超级电容共同供能时车辆的功率流向；
15.图6是车辆制动时，供电系统对再生制动能量进行回收时功率流向；
16.图7是超级电容soc较低且车辆处于停止状态时功率流向；
17.图8是车辆稳定运行且当蓄电池荷电状态过低时功率流向；
18.图9是母线电压控制结构图；
19.图10是变换器下垂特性系数；
20.图11是相关的控制策略结构框图；
21.图12是多阶段优化策略的逆序寻优方向示意图。
具体实施方式
22.下面结合相关附图与实施例对本发明作进一步详细说明。
23.本发明提供一种用于多混合能源系统的直流母线电压稳定方法具体流程图如图1所示，其特征在于，包括以下步骤：
24.步骤1，确定好多特种车辆的常用的高压供电系统的结构，如图2所示，建立储能系统合理的充放电模型；
25.上述步骤1中所用的多混合能源系统的特种车辆的高压供电系统的结构为混联型，其混合储能系统的充放电数学模型如下：
26.(1)储能蓄电池和超级电容充电过程:
[0027][0028]
(2)储能蓄电池和超级电容放电过程：
[0029][0030]
其中，δt为采样间隔；c
soc,bat
和c
soc,sc
为储能蓄电池的荷电状态和超级电容的荷电状态；p
bat
、c
bat
和p
sc
、c
sc
分别为储能蓄电池和超级电容的额定功率和额定容量；η
bat,c
、η
bat,f
和η
sc,c
η
sc,f
储能蓄电池的充、放电效率和超级电容的充放电效率；
[0031]
步骤2，以超级电容和需电池组的荷电状态(soc)为状态变量，记为s
k
，以储能系统中各个元件的功率流向为状态变量，记为d
k
；
[0032]
步骤3，确定多混合能源系统的特种车辆的各个工作状况；
[0033]
上述步骤3,将多混合能源系统的特种车辆的运行工况分为如下几种，分别为：
[0034]
(1)仅超级电容供能
[0035]
当特种车辆瞬时起动时，此时车辆对功率需求非常多，由于超级电容可以在非常短的时间内提供相应的功率，以满足车辆对功率的需求，此时仅采用储能系统的超级电容为车辆供电，可以充分发挥储能系统的优势，达到维持母线电压稳定的要求。在此种状态下，要求蓄电池不为车辆的起动过程供电，依次与蓄电池相连接的双向dc/dc变换器处于关断状态，而超级电容侧的双向dc/dc变换器处于导通状态，具体能量流向如图3所示；
[0036]
此时，供电系统提供的功率：
[0037]
p
e
＝p
sc
η
sc,f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0038]
式中，p
e
为供电系统输出功率，kw；p
sc
为超级电容输出功率，kw；η
sc,f
为超级电容侧放电效率，％；
[0039]
(2)仅蓄电池供能
[0040]
当车辆在低速稳定行驶时，此时车辆对功率需求比较平稳，即此时相应的放电电流变化率很小，由于蓄电池组具有高比能量的特点，由蓄电池为车辆持续提供所需能量。此时，蓄电池侧双向dc/dc变换器处于升压状态，功率由蓄电池组侧流向负载侧，而此时的超级电容侧双向dc/dc变换器关断，如图4所示；
[0041]
此时，供电系统提供的功率：
[0042]
p
e
＝p
bat
η
bat,f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(4)
[0043]
式中，p
bat
为蓄电池输出的功率，kw；η
bat,f
为蓄电池侧放电效率，％；
[0044]
(3)蓄电池与超级电容共同供能
[0045]
当负载功率需求较大且功率变化速度快时(如加速过程)，蓄电池由于无法提供大电流和变化速率大的电流，为了保护蓄电池，且满足负载的功率需求，超级电容承担功率需求中的高频分量，而蓄电池承担其中的低频分量；供电系统功率流如图5所示；
[0046]
此时，供电系统提供的功率为：
[0047]
p
e
＝p
bat
η
bat,f
+p
sc
η
sc,f
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0048]
(4)再生制动能量回收
[0049]
当车辆处于制动时，储能系统可以对再生制动能量进行回收，由于制动过程十分短暂，根据超级电容反应十分迅速，而蓄电池反应速度较慢，因此再生制动能量主要由超级电容回收，蓄电池辅助吸收剩余的能量，以提高能量的利用效率；此时，与蓄电池相连的双向dc/dc变换器处于降压状态，超级电容侧双向dc/dc变换器也处于降压状态，供电系统功
率流如图6所示；
[0050]
此时，供电系统回收的功率为
[0051]
p
bat
+p
sc
＝p
brake
η
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0052]
式中，p
brake
为再生制动能量，kw；η为能量回收效率。
[0053]
(5)蓄电池对超级电容充电
[0054]
当超级电容soc较低，且车辆处于停止状态时，为保证车辆起动时超级电容提供充足的电能，需要蓄电池对超级电容进行充电，此时，蓄电池侧dc/dc变换器处于升压状态，超级电容侧dc/dc变换器处于降压状态，供电系统功率流如图7所示；
[0055]
(6)蓄电池充电
[0056]
在车辆稳定运行且当蓄电池荷电状态(state of charge,soc)过低时，由车辆通过发电机对其进行充电。此时超级电容为保证车辆制动时有足够的容量回收能量，因此不进行充电；供电系统功率流如图8所示；
[0057]
步骤4，首先建立各个工况下的优化函数，以求得总的目标函数，其次在确定各种等式和不等式约束；
[0058]
(1)第n阶段的目标函数表示为：
[0059]
j
n
(s
n
,d
n
)＝min[g
n
(s
n
,d
n
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0060]
第k段目标函数表示为：
[0061]
j
k
(s
k
,d
k
)＝min[g
k
(s
k
,d
k
)+j
k+1
(s
k+1
,d
k
)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0062]
重复上述步骤，可以推得第一阶段的目标函数为：
[0063]
j1(s1)＝min[g1(s1,d1)+j2(s2,d1)]
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0064]
(2)将多混合能源系统的特种车辆的运行工况适当的分成n段，则总的目标函数可以表示如下：
[0065][0066]
s
k+1
＝t
k
(s
k
,d
k
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0067]
为了使目标函数j达到最优，需要计算从最后阶段开始算起逆向累计推算各阶段的最优目标。式中s1,s2,...,s
n
为各阶段的状态，d1,d2,...,d
n
为相应的决策。式(11)表明第k阶段，在决策d
k
条件下，状态从s
k
转移到s
k+1
的状态转移方程；
[0068]
最终可以获得各阶段的最优决策和最优目标得到一系列的优化函数，同时还能获得相应的最优决策和系统的状态；
[0069]
结合车辆实际运行条件，可以获得多混合能源系统的特种车辆的待优化目标函数：
[0070][0071]
其中：
[0072]
[0073]
上式中，p
bat_loss
是蓄电池组的功率损耗；p
sc_loss
是超级电容的功率损耗；p
dc/dc_loss
为双向dc/dc变换器功率损耗；i
bat
蓄电池组的工作电流；i
sc
为超级电容的工作电流；r
bat
为蓄电池组的内电阻；r
sc
为超级电容的内电阻；
[0074]
(4)等式约束条件
[0075]
在直流系统中，根据直流母线电压与功率的下垂关系可知：
[0076][0077]
其中，u
dc
是直流母线电压；u
dc_ref
是直流母线电压的基准值，本实施例中为600v；p
hess
是混合储能输出和吸收的功率；p
g
为柴油发电机输出的功率；m为功率下垂系数。
[0078]
由电路原理可知，直流系统电压与功率呈线性关系，结合本实施例所提供的设计的方案，可得多混合能源系统的特种车辆直流母线电压的表达式为：
[0079][0080]
由式(14)和(15)可得：
[0081]
i
hess
＝λ(u
dc_ref
‑
u
dc
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0082]
λ为电压下垂系数。因此，采用上述模型设计的电压控制结构图如图9所示。根据式(16)计算出的i
hess
为电流给定值，然后经电流环使其实际测量值跟随给定值；
[0083]
母线电压变化的表达式为：
[0084]
|u
dc_ref
‑
u
dc
|＝βu
dc_ref
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)β为母线电压波动范围系数,分为以下四种情况：
[0085][0086]
当母线电压波动处于第一种情况，储能系统中超级电容和需电池组的soc满足0.1～0.9的范围时，其相应变换器停止工作；相反，储能系统中超级电容和需电池组的soc超出此范围,相应变换器以小电流的方式为储能装置充放电。当母线电压处于其它运行情况时，储能装置工作于单端稳压状态，采用的控制策略为自适应下垂控制策略。图11给出了母线电压波动情况下的混合储能系统的动作阈值。其中β
x
(x＝1,2,3,4)代表储能的动作电压阈值，i
max
,i
min
分别为变换器在buck及boost模式下的电流限值；因此结合图10，推导充放电电流给定值的计算方法如公式所示。通过设置合理的下垂系数计算混合储能的电流给定值，从而达到稳定电压的目的；
[0087][0088]
其中k
ij
为变换器在充放电状态的下垂系数；
[0089]
(5)不等式约束
[0090][0091]
其中soc
bat
和soc
sc
为蓄电池组和超级电容组的荷电状态，也是动态优化中的状态变量。
[0092]
通过确定多混合能源系统的特种车辆运行过程中所需求的功率p
req
，并结合蓄电池组、超级电容组的soc，来确定相应储能元件的功率流向即动态优化中的决策变量，从而获得与蓄电池组相连接的双向dc/dc的开关管的控制变量s
bat
和与超级电容组相连接的双向dc/dc的开关管的控制变量s
sc
，最终实现相应的功率输出，如图11所示；
[0093]
多混合能源系统的特种车辆直流母线电压稳定通过控制双向dc/dc变换器的功率流向作为维持直流母线电压稳定的基础，将相应的控制策略以等式约束方式呈现；
[0094]
步骤5，采用逆序递推法寻求各阶段的最优决策，如图12所示。