一种三端口双向DC/DC变换器结构的控制策略

一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略
技术领域
1.本发明涉及储能系统技术领域，具体涉及一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略。


背景技术：

2.随着城市轨道交通迅速发展，城市轨道交通在未来的能源消耗方面将面临严重问题，其节能需求变得越来越紧迫。在城市交通领域实现零碳排放的大背景下，将太阳能光伏系统接入城轨供电系统成为近年的发展趋势。由于自然环境因素(如日照强度和环境温度)的影响，光伏发电系统的电能供应持续性和稳定性无法得到保证。同时，为了避免列车的再生制动能量直接注入接触网，导致城轨供电系统的接触网过压，采用储能方式已经成为世界上解决城轨再生能量利用问题的主流方式之一。因此，城轨供电系统采用储能系统具有重要意义。
3.对于城轨交通系统，常见的储能技术有蓄电池、飞轮、超级电容三种。不同的混合储能具有不同的特点，蓄电池具有高能量密度、成本低、使用灵活等优点，但其具有充放电效率不高、寿命较短等缺点；飞轮具有高功率密度、快速响应时间、长寿命等优点，但飞轮混合储能也有转子失衡、机械损耗、高成本等缺点；超级电容具有高功率密度、低内阻、长寿命、安全等优点。但超级电容混合储能的能量密度较低，容量相对较小。蓄电池和超级电容器在性能上各有优势，可以进行优势互补。若将具有高能量密度的蓄电池和具有高功率密度、高循环效率的超级电容器混合使用，融合优点，储能装置的性能将会被大大提升，蓄电池和超级电容构成的复合储能装置，能够极大增强系统的功率传输性能，且蓄电池的使用寿命也得到了有效延长。
4.目前应用最广泛的复合储能系统是通过采用两种不同电压等级的混合储能分别通过双向dc/dc变换器连接牵引网。这种结构既能直接控制每种储能设备的功率大小，也能实现直流母线电压恒定。但是由于使用了两台或以上dc/dc变换器，通信装置不可或缺，这些通信装置的加入使得系统更加复杂，可靠性变差；同时也增加了成本，在对体积质量有要求的场合其应用还会受到限制。而磁耦合型多端口多绕组隔离式变换器能实现电气绝缘，其不同端口之间通过隔离变压器进行电磁耦合从而实现端口之间的电能变换，选择合理的匝数比就能将不同电压等级的电源相互连接，具有较广的应用范围。但由于磁耦合型多端口多绕组隔离式变换器共用变压器磁链，其不同端口间传输的功率会存在耦合关系，这会影响系统的响应速度以及控制环路的设计。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，以实现输出电压维稳和功率分配，提高系统的动态性能。
6.本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
7.本发明提供一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，所述三端口双向dc/dc
变换器结构的控制策略包括：
8.s1：控制输出电压控制环获取三端口双向dc/dc变换器结构端口3的端口电压v
bus
；
9.s2：在所述输出电压控制环中比较所述端口电压v
bus
和参考电压v
bus_ref
，得到电压误差信号；
10.s3：利用所述输出电压控制环中的电压控制器gv对所述电压误差信号进行处理，得到第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
；
11.s4：控制功率分配控制环，利用低通滤波器lpf，从混合储能的总功率p
hess
与超级电容器给定功率p
sc
的差值中分离出低频部分作为蓄电池组的参考功率p
bat_ref
；
12.s5：根据所述蓄电池组的参考功率和蓄电池组的电压，得到蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
；
13.s6：获取输出电感l
dc2
的电感电流i
dc2
和输出电感l
dc1
的电感电流i
dc1
，根据所述电感电流i
dc1
、电感电流i
dc2
、所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
，利用二变量pid神经网络控制器，得到端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
；
14.s7：所述输出移相角φ
23
和所述输出移相角φ
13
经移相pwm调制模块产生相应的开关信号，以实现所述三端口双向dc/dc变换器结构输出电压稳定及所述混合储能功率分配的控制目标。
15.可选择地，所述s1中，所述三端口双向dc/dc变换器结构包括：
16.中间三绕组变压器，以及位于所述中间三绕组变压器两侧的第一变换器、第二变换器和第三变换器，所述第一变换器和所述第二变换器的输入侧分别与所述中间三绕组变压器的低压侧连接，所述中间三绕组变压器的高压侧连接所述第三变换器的输出侧，所述第三变换器的输入侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口3与牵引网连接，所述第一变换器的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口1，所述第二变换器的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口2，所述端口1和所述端口2同时连接混合储能。
17.可选择地，所述第一变换器包括输入电感l
r1
、电容c1、电容c2、输出电感l
dc1
、开关管s1和开关管s2，所述输入电感l
r1
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s1的源极和所述电容c2的一端，所述开关管s1的漏极连接所述电容c1的一端，所述电容c2的另一端同时连接所述开关管s2的漏极和所述输出电感l
dc1
的一端，所述输出电感l
dc1
的一端作为所述端口1的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c1的另一端和所述开关管s2的源极同时连接以作为所述端口1的负极。
18.可选择地，所述第二变换器包括输入电感l
r2
、电容c3、电容c4、输出电感l
dc2
、开关管s3和开关管s4，所述输入电感l
r2
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s3的源极和所述电容c4的一端，所述开关管s3的漏极连接所述电容c3的一端，所述电容c4的另一端同时连接所述开关管s4的漏极和所述输出电感l
dc2
的一端，所述输出电感l
dc2
的一端作为所述端口2的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c3的另一端和所述开关管s4的源极同时连接以作为所述端口2的负极。
19.可选择地，所述第三变换器包括输入电容cs、开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8和输出电感l
r3
，所述输入电容cs的一端、所述开关管s5的漏极和所述开关管s7的漏极同
时连接以作为连接所述端口3的正极，所述输入电容cs的另一端、所述开关管s8的源极和所述开关管s6的源极同时连接以作为所述端口3的负极，所述开关管s5的源极、所述开关管s6的漏极和所述输出电感l
r3
的一端同时连接，所述输出电感l
r3
的另一端连接所述中间三绕组变压器的高压侧一端，所述开关管s7的源极和所述开关管s8的漏极同时连接所述中间三绕组变压器的高压侧另一端。
20.可选择地，所述第一变换器和/或所述第二变换器和/或所述第三变换器的所有开关管为全控型半导体器件。
21.可选择地，所述s4中，所述混合储能包括超级电容器和蓄电池组，所述功率分配控制环控制所述蓄电池组充放电，所述输出电压控制环控制所述超级电容器充放电。
22.可选择地，所述s6包括：
23.将所述电感电流i
dc1
和所述电感电流i
dc2
分别作为所述二变量pid神经网络控制器中各单变量pid神经网络的实际输入值y1和y2；
24.将所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
分别作为各所述单变量pid神经网络的被控变量给定值r1和r2；
25.根据所述实际输入值y1和y2，以及所述被控变量给定值r1和r2，得到控制量v1和v2；其中，所述控制量v1和v2分别表示端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
。
26.可选择地，所述二变量pid神经网络控制器中各单变量pid神经网络均包括：
27.依次设置的输入层、隐含层和输出层，所述输入层独立输入相同数量的被控变量给定值r1、r2和实际输入值y1、y2，且所述二变量pid神经网络控制器输出的控制量v1、v2由所述移相pwm模块接收，所述移相pwm模块输出多个pwm信号至所述被控对象三端口双向dc/dc变换器，所述被控对象三端口双向dc/dc变换器输出所述实际输入值y1、y2反馈至所述二变量pid神经网络控制器的输入端，实现整个网络的闭环控制。
28.本发明具有以下有益效果：
29.本发明所提出的一种三端口双向dc/dc变换器的控制策略适用于城市轨道交通中混合储能系统的三端口双向dc/dc变换器，可以克服传统解耦控制中解耦器和控制器分离而导致的设计困难和控制精度降低等问题，同时具备端口传输功率解耦和端口电压控制的功能，实现输出电压维稳和功率分配，并提高系统的动态性能。
附图说明
30.图1为本发明三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略的流程图；
31.图2为本发明三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略的示意框图；
32.图3为本发明三端口双向dc/dc变换器结构的结果示意图；
33.图4为本发明二变量pid神经网络的结构示意图。
34.附图标记说明
35.1-第一变换器；2-第二变换器；3-第三变换器。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并
非用于限定本发明的范围。
37.本发明提供一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，参考图1和图2所示，所述三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略包括：
38.s1：控制输出电压控制环获取三端口双向dc/dc变换器结构端口3的端口电压v
bus
；
39.这里，需要说明的是，参考图3所示，本发明所述的三端口双向dc/dc变换器结构包括：中间三绕组变压器，以及位于所述中间三绕组变压器两侧的第一变换器1、第二变换器2和第三变换器3，所述第一变换器1和所述第二变换器2的输入侧分别与所述中间三绕组变压器的低压侧连接，所述中间三绕组变压器的高压侧连接所述第三变换器3的输出侧，所述第三变换器3的输入侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口3与牵引网连接，所述第一变换器1的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口1，所述第二变换器2的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口2，所述端口1和所述端口2同时连接混合储能。
40.所述第一变换器1包括输入电感l
r1
、电容c1、电容c2、输出电感l
dc1
、开关管s1和开关管s2，所述输入电感l
r1
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s1的源极和所述电容c2的一端，所述开关管s1的漏极连接所述电容c1的一端，所述电容c2的另一端同时连接所述开关管s2的漏极和所述输出电感l
dc1
的一端，所述输出电感l
dc1
的一端作为所述端口1的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c1的另一端和所述开关管s2的源极同时连接以作为所述端口1的负极。
41.所述第二变换器2包括输入电感l
r2
、电容c3、电容c4、输出电感l
dc2
、开关管s3和开关管s4，所述输入电感l
r2
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s3的源极和所述电容c4的一端，所述开关管s3的漏极连接所述电容c3的一端，所述电容c4的另一端同时连接所述开关管s4的漏极和所述输出电感l
dc2
的一端，所述输出电感l
dc2
的一端作为所述端口2的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c3的另一端和所述开关管s4的源极同时连接以作为所述端口2的负极。
42.所述第三变换器3包括输入电容cs、开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8和输出电感l
r3
，所述输入电容cs的一端、所述开关管s5的漏极和所述开关管s7的漏极同时连接以作为连接所述端口3的正极，所述输入电容cs的另一端、所述开关管s8的源极和所述开关管s6的源极同时连接以作为所述端口3的负极，所述开关管s5的源极、所述开关管s6的漏极和所述输出电感l
r3
的一端同时连接，所述输出电感l
r3
的另一端连接所述中间三绕组变压器的高压侧一端，所述开关管s7的源极和所述开关管s8的漏极同时连接所述中间三绕组变压器的高压侧另一端。
43.可选择地，所述第一变换器1和/或所述第二变换器2和/或所述第三变换器3的所有开关管为全控型半导体器件。
44.除此之外，在本发明中，三绕组变压器采用高频变压器，其中三个端口之间的变比根据牵引网电压和第一变换器1以及第二变换器2所接混合储能的标称电压共同决定，其容量根据具体混合储能容量确定。
45.s2：在所述输出电压控制环中比较所述端口电压v
bus
和参考电压v
bus_ref
，得到电压误差信号；
46.s3：利用所述输出电压控制环中的电压控制器gv对所述电压误差信号进行处理，
得到第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
；
47.s4：控制功率分配控制环，利用低通滤波器lpf，从混合储能的总功率p
hess
与超级电容器给定功率p
sc
的差值中分离出低频部分作为蓄电池组的参考功率p
bat_ref
；
48.所述混合储能包括超级电容器和蓄电池组，所述功率分配控制环通过所述蓄电池组供电，所述输出电压控制环通过所述超级电容器供电。
49.s5：根据所述蓄电池组的参考功率和蓄电池组的电压，得到蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
；
50.其中，功率分配控制环采集蓄电池组的电压，因此，蓄电池组的电压与第一变换器输出侧的额定电压v
bat
相等，也因此，蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
是通过蓄电池组的参考功率和蓄电池组的电压v
bat
运用除法计算方式得到。
51.s6：获取输出电感l
dc2
的电感电流i
dc2
和输出电感l
dc1
的电感电流i
dc1
，根据所述电感电流i
dc1
、电感电流i
dc2
、所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
，利用二变量pid神经网络控制器，得到端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
；
52.可选择地，s6包括：
53.将所述电感电流i
dc1
和所述电感电流i
dc2
分别作为所述二变量pid神经网络(mpidnn)控制器中各单变量pid神经网络的实际输入值y1和y2；
54.将所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
分别作为各所述单变量pid神经网络的被控变量给定值r1和r2；
55.根据所述实际输入值y1和y2，以及所述被控变量给定值r1和r2，得到控制量v1和v2；其中，所述控制量v1和v2分别表示端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
。
56.具体地，将所述电感电流i
dc1
、电感电流i
dc2
、所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
分别作为二变量pid神经网络(mpidnn)控制器输入层的各个神经元，再将输入层各神经元映射到隐含层对应比例元、积分元和微分元的神经元上，隐含层到输出层相互交错连接，形成神经网络，得到输出层的控制量移相角φ
13
和移相角φ
23
，最后移相pwm模块根据移相角产生控制信号，控制三端口双向dc/dc变换器，二变量pid神经网络(mpidnn)控制器再根据反馈回来的控制效果进行在线自主学习，通过对网络连接权重值实时调整，实现端口传输功率解耦和端口电压控制的功能。
57.此外，参考图2和图4所述，所述二变量pid神经网络控制器中各单变量pid神经网络均包括：
58.依次设置的输入层、隐含层和输出层，所述输入层独立输入相同数量的被控变量给定值r1、r2和实际输入值y1、y2，且所述二变量pid神经网络控制器输出的控制量v1、v2由所述移相pwm模块接收，所述移相pwm模块输出多个pwm信号至所述被控对象三端口双向dc/dc变换器，所述被控对象三端口双向dc/dc变换器输出所述实际输入值y1、y2反馈至所述二变量pid神经网络控制器的输入端，实现整个网络的闭环控制。
59.二变量pid神经网络(mpidnn)就是将多个相同的单输入神经网络交叉并联，构成网络结构。每个子网的输入层到隐含层都是相互独立的，而隐含层到输出层充分交错相连。mpidnn的输入层独立输入若干个相同数量的目标值和被控量。mpidnn的输出由被控对象接
收，被控系统的输出再反馈回神经网络，使整个系统形成闭环，从而完成控制任务。
60.s7：所述输出移相角φ
23
和所述输出移相角φ
13
经移相pwm调制模块产生相应的开关信号，以实现所述三端口双向dc/dc变换器结构输出电压稳定及所述混合储能功率分配的控制目标。
61.其中，参考图2所示，相应的开关信号包括开关管1～8的控制信号pwm-s1～pwm-s8，三端口双向dc/dc变换器的控制效果包括端口3的端口电压v
bus
、输出电感l
dc2
的电感电流i
dc2
、第一变换器输出侧的额定电压v
bat
以及控制功率分配控制环获取输出电感l
dc1
的电感电流i
dc1
。
62.以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略包括：s1：控制输出电压控制环获取三端口双向dc/dc变换器结构端口3的端口电压v
bus
；s2：在所述输出电压控制环中比较所述端口电压v
bus
和参考电压v
bus_ref
，得到电压误差信号；s3：利用所述输出电压控制环中的电压控制器gv对所述电压误差信号进行处理，得到第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
；s4：控制功率分配控制环，利用低通滤波器lpf，从混合储能的总功率p
hess
与超级电容器给定功率p
sc
的差值中分离出低频部分作为蓄电池组的参考功率p
bat_ref
；s5：根据所述蓄电池组的参考功率和蓄电池组的电压，得到蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
；s6：获取输出电感l
dc2
的电感电流i
dc2
和输出电感l
dc1
的电感电流i
dc1
，根据所述电感电流i
dc1
、电感电流i
dc2
、所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
，利用二变量pid神经网络控制器，得到端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
；s7：所述输出移相角φ
23
和所述输出移相角φ
13
经移相pwm调制模块产生相应的开关信号，以实现所述三端口双向dc/dc变换器结构输出电压稳定及所述混合储能功率分配的控制目标。2.根据权利要求1所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述s1中，所述三端口双向dc/dc变换器结构包括：中间三绕组变压器，以及位于所述中间三绕组变压器两侧的第一变换器、第二变换器和第三变换器，所述第一变换器和所述第二变换器的输入侧分别与所述中间三绕组变压器的低压侧连接，所述中间三绕组变压器的高压侧连接所述第三变换器的输出侧，所述第三变换器的输入侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口3与牵引网连接，所述第一变换器的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口1，所述第二变换器的输出侧作为所述三端口双向dc/dc变换器结构的端口2，所述端口1和所述端口2同时连接混合储能。3.根据权利要求2所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述第一变换器包括输入电感l
r1
、电容c1、电容c2、输出电感l
dc1
、开关管s1和开关管s2，所述输入电感l
r1
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s1的源极和所述电容c2的一端，所述开关管s1的漏极连接所述电容c1的一端，所述电容c2的另一端同时连接所述开关管s2的漏极和所述输出电感l
dc1
的一端，所述输出电感l
dc1
的一端作为所述端口1的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c1的另一端和所述开关管s2的源极同时连接以作为所述端口1的负极。4.根据权利要求3所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述第二变换器包括输入电感l
r2
、电容c3、电容c4、输出电感l
dc2
、开关管s3和开关管s4，所述输入电感l
r2
的一端连接所述中间三绕组变压器的低压侧一端，其另一端同时连接所述开关管s3的源极和所述电容c4的一端，所述开关管s3的漏极连接所述电容c3的一端，所述电容c4的另一端同时连接所述开关管s4的漏极和所述输出电感l
dc2
的一端，所述输出电感l
dc2
的一端作为所述端口2的正极，所述中间三绕组变压器的低压侧另一端、所述电容c3的另一端和所述
开关管s4的源极同时连接以作为所述端口2的负极。5.根据权利要求4所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述第三变换器包括输入电容c
s
、开关管s5、开关管s6、开关管s7、开关管s8和输出电感l
r3
，所述输入电容c
s
的一端、所述开关管s5的漏极和所述开关管s7的漏极同时连接以作为连接所述端口3的正极，所述输入电容c
s
的另一端、所述开关管s8的源极和所述开关管s6的源极同时连接以作为所述端口3的负极，所述开关管s5的源极、所述开关管s6的漏极和所述输出电感l
r3
的一端同时连接，所述输出电感l
r3
的另一端连接所述中间三绕组变压器的高压侧一端，所述开关管s7的源极和所述开关管s8的漏极同时连接所述中间三绕组变压器的高压侧另一端。6.根据权利要求5所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述第一变换器和/或所述第二变换器和/或所述第三变换器的所有开关管为全控型半导体器件。7.根据权利要求1所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述s4中，所述混合储能包括超级电容器和蓄电池组，所述功率分配控制环控制所述蓄电池组充放电，所述输出电压控制环控制所述超级电容器充放电。8.根据权利要求1所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述s6包括：将所述电感电流i
dc1
和所述电感电流i
dc2
分别作为所述二变量pid神经网络控制器中各单变量pid神经网络的实际输入值y1和y2；将所述第二变换器的输出电流参考值i
dc2_ref
和所述蓄电池组的参考电流i
dc1_ref
分别作为各所述单变量pid神经网络的被控变量给定值r1和r2；根据所述实际输入值y1和y2，以及所述被控变量给定值r1和r2，得到控制量v1和v2；其中，所述控制量v1和v2分别表示端口1和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
13
和端口2和端口3开关管驱动信号之间的输出移相角φ
23
。9.根据权利要求1或8所述的三端口双向dc/dc变换器结构的控制策略，其特征在于，所述二变量pid神经网络控制器中各单变量pid神经网络均包括：依次设置的输入层、隐含层和输出层，所述输入层独立输入相同数量的被控变量给定值r1、r2和实际输入值y1、y2，且所述二变量pid神经网络控制器输出的控制量v1、v2由所述移相pwm模块接收，所述移相pwm模块输出多个pwm信号至所述被控对象三端口双向dc/dc变换器，所述被控对象三端口双向dc/dc变换器输出所述实际输入值y1、y2反馈至所述二变量pid神经网络控制器的输入端，实现整个网络的闭环控制。

技术总结
本发明公开了一种三端口双向DC/DC变换器结构的控制策略，包括：获取端口电压V


技术研发人员：何晓琼 杨键聪 邱成浩 韩鹏程 曾理 马兰
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.05.30
技术公布日：2023/9/5