霍克锂电池控制技术

控制技术

2.1 FCSMPC算法公式

本节论述了针对所提出的多端口变换器的FCSMPC算法公式。FCSMPC是在离散时间域中进行公式化的。因此，变换器的连续时间域动态模型在特定的时间间隔（T_S). 图6展示了FCSMPC算法的流程图。选用离散时间模型来猜想全部三个控制变量的未来值。本研讨中运用的离散时间模型是依据欧拉近似法推导得出的。使用当前时间（变量的第)-个时间，该方法使得确定后续时间成为可能 (+ 1)-个变量，这些变量可以被影响。向前欧拉近似的通用表达式如公式(14)所示：k + 1)-th of the variables that can be influenced. The general expression of the forward Euler approximation is given in Equation (14):

图6：

FCSMPC算法

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 X(k+1)=Xk+(1/Ts∗dXdt)
(14)

使用式(15–17)中规定的前向欧拉近似，可以经过式(14)点评控制变量的下一个瞬时值：

iac_i(k+1)=iac_i(k)+(1Ts∗diac_i(k)dt)
(15)
iBat(k+1)=iBat(k)+(1Ts∗diBat(k)dt)
(16)
vPV(k+1)=vPV(k)+(1Ts∗dvPV(k)dt)
(17)

2.2 参看信号生成

所提变换器的整体控制器包含控制变量的参看信号生成。三相交流端口的电流参看信号是依据各相的参看电压生成的。为了生成交流端口的电流参看信号和电池端口的电流参看信号，需考虑式(18)和式(19)。光伏端口的参看信号是经过增量电导MPPT算法生成的：

iacref=Pac3∗vacref∗cos⁡∅
(18)
ibatref=Pac−Ppvvbat
(19)

2.3 本钱函数

FCSMPC算法的首要目标是最小化控制变量猜想值与参看值之间的差错。它允许调理全部端口的不同电流和电压，以保证其正常工作。式(20)给出了所提变换器的本钱函数：

cost function= λ1(vpv(k+1)−vpvref)+λ2(ibat(k+1)−ibatref) +∑ci=aλ3(iaci(k+1)−iacrefi)
(20)

在式(20)中，λ1⁠, λ2和λ3分别是光伏端口直流链电容、电池端口电感电流和三相交流端口电感电流的加权变量。

2.4 整体控制方案

图7展示了所提变换器的整体FCSMPC控制结构。首要，由光伏端口供电定义的储能体系（BESS）的充放电容量决议了双向变换器的作业方式。假如光伏供给的功率不足以满足负载需求，则电池处于放电情况，变换器一同作业于升压方式和逆变方式。不然，电池处于充电情况，变换器一同作业于降压方式和逆变方式。光伏端口为单向端口，电池端口为双向端口。

图7：

所提多端口变换器的整体控制方案

 

3 研讨方法

为了点评所建议的选用FCSMPC控制方法的变换器的可行性，进行了1 kW额定功率的仿照，并在实验室中构建了一个200 W的原型，如图8所示。图8实验室原型的框图如图9所示。图9实验室原型由功率模块和控制单元组成。

图8：

三端口转换器实验原型

图9：

实验室原型的区块图

电源模块包含一个带直流母线电容的多端口转换器模块。转换器由三个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块（SKM50GB123D）组成，包含六个开关、用于开关的门极驱动电路（Skyper 32 Pro）、三个交流侧电感、三个直流侧电感和一个电池（Amptek AT 12-5）。光伏阵列电源运用CHROMA 62050H-600S太阳能仿照器进行配备。这些组件衔接构成一个涉及运用太阳能仿照器配备的光伏阵列源的TPC。太阳能仿照器衔接到其间一个直流端口，电池衔接到另一个直流端口，三相独立负载衔接到交流端口。

控制单元由电压传感器（LAH 25-NP）、电流传感器（LA 55-P）以及 Xilinx Artix-7 可编程现场可编程门阵列（FPGA）控制器组成。FCSMPC 控制算法在 FPGA 控制器中完结。使用电压和电流传感器测量的三个端口的实时电压和电流信号作为输入，输入到 FPGA 控制器中以完结控制方案。在依据 FPGA 的数字平台上完结了闭环控制。 控制器生成的 PWM（脉冲宽度调制）信号经过门极驱动卡衔接到六个 IGBT 的门极和发射极，为 IGBT 开关的工作供给隔离和满足的电流驱动才能。

依据FPGA的控制器以25纳秒的采样频率工作，用于为实验室开发的硬件原型生成脉冲。表2列出了仿照和实验的标准参数。

仿照与实验参数

参数	仿照用参数	实验用参数
光伏电压源 (Vpv)	300 V	24 V
电池电压（VBat)	150 伏	12 伏
直流电感 (Ldc)	5 mH	5 mH
交流电感 (Lac)	15毫亨	15毫亨
采样频率 (fsmax)	20 kHz	20 kHz
读档功率 (Pload)	1000 W	200 瓦