基于MPC的电气蓄能系统双向直流变换器研究

论文摘要

在拥有多种用电和发电设备的系统中,为了合理利用工作于多个象限的往复式用电设备产生的电能,本文从建筑中的各用电设备着手,提出了一个可以实现再生能量和系统能源的有效再分配的系统,称为电气蓄能系统。其中双向DC-DC变换器作为储能设备与可发电的用电设备之间的能量连接装置,可大大减小设备空间与重量,选择合理的双向变换器拓扑与合理的控制方式,是蓄能系统的关键之一,也是本文研究的主题。首先对电气蓄能系统进行方案论证,并阐述了该系统的架构和研究的必要性。通过电气蓄能系统的工作环境分析和超级电容充放电特性研究,分析了双向DC-DC变换器在该系统中具有的优势,并对双向DC-DC变换器以及模型预测控制方法的发展与研究情况作了概述。对所选双向变换器拓扑结构进行了研究,分析了拓扑的工作原理与开关特性,针对不足并提出了解决方法,并对电路参数进行了设计。利用仿真软件对所选拓扑进行了仿真分析。对已选的DC-DC双向变换拓扑建模,得出其等效数学模型。对双向直流控制器的控制方法进行了探讨。将短时域模型预测控制方法应用于双向DC-DC变换器的控制,本方法继承了模型预测控制方法优良的抗干扰性与对不确定性的适应能力,极短的预测时域使得该控制方法的求解比正常的最优化方法求解更简单,能在变换器的一个开关周期内求解完毕。本文为了解决预测时域较短造成的系统稳定与跟踪速度慢的问题,在控制方法中加入了负载识别,加强了系统的鲁棒性。将文中的控制方法与常规控制方法进行了仿真比较,并得到短时域模型预测控制的综合表现优于其他控制方法的结论。本文对短时域模型预测控制在双向DC-DC变换器上的应用进行了实验研究,结果表明本文中提出的电路拓扑与控制方法是有效的,可以用于电气蓄能系统中的双向变换器及其控制方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 电气蓄能系统的提出及特点
• 1.1.2 双向直流变换器在蓄能系统中的作用
• 1.2 双向DC-DC 变换器的研究发展及现状
• 1.3 模型预测控制理论及其在直流变换中的发展
• 1.4 本文的研究内容
• 第2章 拓扑结构设计与仿真
• 2.1 变换器的工作环境研究与基本拓扑结构确定
• 2.2 拓扑原理分析
• 2.2.1 升压模式分析
• 2.2.2 降压模式分析
• 2.3 拓扑结构仿真结果及分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 短时域模型预测控制算法的研究
• 3.1 控制对象模型的建立
• 3.1.1 降压过程模型的建立
• 3.1.2 升压过程模型的建立
• 3.2 降压过程短时域MPC 的分析
• 3.3 升压过程短时域MPC 的分析
• 3.4 负载识别与模型修正
• 3.5 MPC 算法流程
• 3.6 三态滞环控制算法
• 3.7 本章小结
• 第4章 控制系统仿真研究
• 4.1 变换器工作模式切换仿真研究
• 4.2 控制算法仿真结果及分析
• 4.2.1 PI 控制方法仿真
• 4.2.2 滞环控制方式仿真
• 4.2.3 短时域MPC 方法仿真
• 4.2.4 仿真结果的对比
• 4.3 本章小结
• 第5章 硬件电路设计及实验研究
• 5.1 拓扑基本参数与硬件电路的设计
• 5.1.1 变压器的设计
• 5.1.2 滤波电感的选择
• 5.1.3 电容计算
• 5.1.4 开关管及缓冲电路参数选择
• 5.2 控制系统的硬件设计
• 5.3 实验条件及结果
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢