黃從勝 程志江 陳星志

摘? 要： 針對多個H橋的接入和接出，造成各路變流器不均流均壓問題，提出群系統(tǒng)一致性策略對群H橋模塊進行協(xié)同控制。考慮H橋通信拓撲和信息交互權(quán)值以及H橋模塊接入和接出系統(tǒng)等情況，分析了系統(tǒng)穩(wěn)定特性，然后將所有H橋一致性信息與電壓電流雙閉環(huán)控制策略相結(jié)合，實現(xiàn)了群H橋電流狀態(tài)快速一致和電壓的穩(wěn)定。通過Matlab/Simulink仿真結(jié)果表明，所提出的控制方案能有效地實現(xiàn)群H橋變流器的電流一致和電壓穩(wěn)定，提高系統(tǒng)的魯棒性，對大規(guī)模的混合儲能接入微電網(wǎng)有一定的理論意義。

關(guān)鍵詞： H橋直流變換器; 一致性算法; 混合儲能; 雙閉環(huán)控制; 協(xié)同控制; 仿真分析

中圖分類號： TN624?34; TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2020）06?0005?04

Research on cascaded H bridge DC/DC converter based on consistency algorithm

HUANG Congsheng， CHENG Zhijiang， CHEN Xingzhi

（College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract： In allusion to the problem of various converters′ uneven current and voltage sharing caused by the I/O connection of multiple H bridges， a cluster system consistency strategy is proposed for the cooperative control of cluster H bridge modules. In consideration of the H bridge communication topology， information exchange weights， the I/O connection of the H bridge module and so on， the stability characteristics of the system are analyzed， and then all the H bridge consistency information is combined with the voltage and current double closed?loop control strategy， so as to realize the fast consistency of current state and the voltage stability of cluster H bridges. The simulation results obtained by Matlab/Simulink show that the proposed control scheme can effectively achieve the current consistency and the voltage stability of the cluster H bridge converters， and improve the robustness of the system. It has a certain theoretical significance for the large?scale hybrid energy storage access to microgrid.

Keywords： H bridge DC/DC converter; consistency algorithm; hybrid energy storage; double closed?loop control; cooperative control; simulation analysis

0? 引? 言

隨著能源危機與環(huán)境問題受重視程度日益增加，微電網(wǎng)作為風(fēng)電、光伏利用的一種重要形式，已成為研究熱點。微電網(wǎng)的運行效果與逆變器的控制直接相關(guān)，在研究儲能系統(tǒng)等微電網(wǎng)中的問題時，必須有適合的逆變器控制策略。為有效解決新能源發(fā)電存在的間歇性、不確定性、波動性問題，微電網(wǎng)系統(tǒng)中必須配置一定的儲能裝置[1]。儲能系統(tǒng)應(yīng)用在微電網(wǎng)中具有獨特的雙向調(diào)節(jié)作用，主要是它可以作為發(fā)電單元和負荷單元，提升了可再生能源接入大電網(wǎng)的并網(wǎng)比例。儲能并網(wǎng)裝置的選取也影響儲能系統(tǒng)接入大電網(wǎng)的比例，儲能裝置通過級聯(lián)H橋可以形成高壓輸出滿足電網(wǎng)的容量和電壓等級的需求，同時儲能單元基于級聯(lián)H橋可以采用分布式的方式，易于儲能系統(tǒng)的擴容。

目前有文獻對級聯(lián)H橋直流變換器用作儲能并網(wǎng)裝置進行了研究。文獻[2]提出了一種交錯和同步并聯(lián)控制方式，解決了母線電壓的穩(wěn)定以及各路電流的一致，使系統(tǒng)的輸出一致;文獻[3]提出基于正負序電流解耦的控制方式，解決了級聯(lián)H橋變流器的直流母線電壓平衡等問題;文獻[4]通過推導(dǎo)整流器的調(diào)制比增量與輸出電壓之間的關(guān)系式，然后通過反饋的直流電壓重新配置調(diào)制比，以調(diào)節(jié)各路直流電壓，使之達到平衡;文獻[5]提出一種在相間注入零序和負序電壓的補償方式，解決了電壓電流平衡問題;文獻[6]通過對開關(guān)管進行數(shù)學(xué)建模分析來研究H橋直流變換器。這些研究提高了系統(tǒng)的魯棒性和效率，但是對H橋模塊的均流均壓控制研究主要集中在平均電流法、電壓電流雙閉環(huán)法、開關(guān)數(shù)學(xué)函數(shù)建模和控制補償?shù)?。這些控制方法都有自己的優(yōu)缺點，對大規(guī)模的電池接入和接出不能進行有效的控制。

本文將超級電容和鉛酸蓄電池構(gòu)成混合儲能系統(tǒng)，同時采用交直流復(fù)合母線[7]。分布式儲能單元通過級聯(lián)H橋接入直流母線，將儲能裝置和H橋當(dāng)作一個智能體單元。智能體單元之間通過特定的通信協(xié)議與相鄰智能體之間進行信息交換來滿足系統(tǒng)的動態(tài)變化，使系統(tǒng)的電壓和電流穩(wěn)定，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，利于新能源的大規(guī)模應(yīng)用和消納能力。

1? 級聯(lián)H橋儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

H橋的直流側(cè)為電池儲能單元，采用分布式的配置方式，每一路多個H橋模塊級聯(lián)輸出，開關(guān)器件可以選擇MOSFET或IGBT，如圖1所示。這種拓撲結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)高電壓等級的輸出和提高開關(guān)頻率，并網(wǎng)時產(chǎn)生的諧波很小，同時電池能量管理系統(tǒng)容易設(shè)計和儲能系統(tǒng)便于擴容等優(yōu)點。因此，級聯(lián)H橋拓撲結(jié)構(gòu)可以構(gòu)建大容量和高電壓等級儲能系統(tǒng)。

2? 群H橋控制策略設(shè)計

2.1? 分布式H橋一致性雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

由于H橋可以形成高壓輸出，要保證每個H橋直流側(cè)儲能單元電壓穩(wěn)定，以及整個微電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，同時考慮級聯(lián)H橋的特點，采用群系統(tǒng)一致性算法，拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，系統(tǒng)采用雙環(huán)控制方案，即電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)都采用PI控制。將采樣的直流母線電壓[vDC]與參考電壓[U*]比較，經(jīng)過電壓積分環(huán)節(jié)得到電流參考值[i*]。將采集的各支路電流[iL1，iL2，iL3]經(jīng)一致性算法與參考電流i*比較，經(jīng)電流積分環(huán)節(jié)得到占空比d，最后通過控制占空比來控制各個開關(guān)管的開和關(guān)，最終保證微電網(wǎng)的直流母線電壓[vDC]穩(wěn)定和H橋輸出電流狀態(tài)一致。

雙閉環(huán)方案的表達式為：

式中：[kiv，kpv]分別為電壓PI的系數(shù);[kic，kpc]分別為電流PI的系數(shù)。

2.2? 基于MAS一致性理論的群H橋變流器控制協(xié)議

在含H橋的分布式儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，將電池單元和H橋考慮成一個智能體，智能體之間通過通信協(xié)議與相鄰智能體交互信息;再利用基于MAS的協(xié)調(diào)控制方案來控制變量達到預(yù)先設(shè)定值[8];然后利用一致性算法通過設(shè)定的相鄰智能體間的邊權(quán)來達到群系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息交互，以此到達分布式單元的狀態(tài)一致或輸出一致。一致性算法模型如圖3所示。

本文考慮的是離散形式的一致性算法，則群系統(tǒng)一致性算法的表達形式為：

式中：[xi]為iLi的狀態(tài);aij為變流器間的連接狀態(tài)，aij=[110]表示有/無連接;Ni為鄰接矩陣，即變流器i對應(yīng)的所有鄰近節(jié)點集合;[ε]為邊權(quán)。

從系統(tǒng)的角度看，為保證電流輸出一致，迭代算法的向量形式可以表示為：

式中：[x（k）=iL1k，iL2k，…，iLikT];W是通信網(wǎng)絡(luò)的權(quán)矩陣。

如果考慮通信網(wǎng)絡(luò)的邊權(quán)，則W可以被改寫成：

式中，L被稱為通信網(wǎng)絡(luò)的拉普拉斯矩陣[9?10]。

一致性算法的最終迭代結(jié)果[Xeq]為：

式中：1是所有元素全為1的向量;x（0）是電流采集初始值構(gòu)成的向量。

3? 仿真與分析

在Simulink下搭建以級聯(lián)數(shù)目N=2的H橋直流變換器分析，采用環(huán)狀網(wǎng)絡(luò)方式進行信息交換。為了保證通信算法的穩(wěn)定性和快速收斂性，必須保證正確的邊權(quán)[ε]和合適的譜半徑[ρ]，根據(jù)式（7）選擇合適的邊權(quán)值[11]：

式中，[λi（L）]是對稱矩陣的最大特征值。

根據(jù)圖3的一致性算法模型，選擇合適的拉普拉斯矩陣L和邊權(quán)[ε]。分布式智能體單元的初始值x（0）=[19，15，12，8，5，1]，仿真結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4的仿真結(jié)果可知，不同的邊權(quán)值對應(yīng)不同的收斂速度，當(dāng)[ε=16]時，系統(tǒng)具有最小的譜半徑和最快的收斂速度。

根據(jù)以上分析，在保證系統(tǒng)輸出一致，選擇合適的系統(tǒng)仿真參數(shù)，如表1所示。

直流母線的電壓和變流器的電流波形如圖5所示。

由圖5可知，分布式儲能單元向電網(wǎng)充電，每個變流器均分得到電流，微電網(wǎng)直流母線電壓保持在150 V。0.3 s時，加入負載，微電網(wǎng)直流母線電壓下降，儲能單元需要放電，則總電流增加，每個變流器電流增加到25 A，同時微電網(wǎng)直流母線電壓下降0.5 V，但是在很短時間內(nèi)恢復(fù)到150 V。0.6 s時，負載退出，總電流減小，每個變流器電流又回到原來值，微電網(wǎng)直流母線電壓上升0.5 V，但是在很短時間內(nèi)恢復(fù)到150 V。增加和減少負載，電流的變化趨勢和電壓一樣，主要是儲能系統(tǒng)的加入，微電網(wǎng)直流母線電壓基本保持不變，但是由于儲能系統(tǒng)需要一定的響應(yīng)時間，所以電壓出現(xiàn)一些細小的波動。

當(dāng)其中一個變換器突然出現(xiàn)故障導(dǎo)致原來的通信拓撲改變，變換器的電流波形如圖6所示。在0.5 s時，系統(tǒng)中一個變換器出現(xiàn)故障，導(dǎo)致原來的通信拓撲發(fā)生改變，并且在同時增加負載情況下，直流微電網(wǎng)依舊穩(wěn)定運行，此時變流器電流達到75 A，此后電流一直穩(wěn)定在75 A，系統(tǒng)正常運行。

級聯(lián)H橋儲能直流變換器拓撲結(jié)構(gòu)中a，b，c三條支路是相互獨立的，采用一致性算法和平均電流控制算法，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7和圖8可以看出，不同算法下變換器輸出電流波形出現(xiàn)不同。圖7中，變換器輸出電流波形基本一致，誤差都在規(guī)定的范圍內(nèi)。圖8中，電流的輸出出現(xiàn)偏差，這是由于H橋變換器輸出電阻的影響。通過上面的分析可知，一致性算法可以更好地解決變換器輸出電流的一致性。

4? 結(jié)? 論

通過以上的仿真結(jié)果，可以看出，搭建含級聯(lián)H橋直流變換器的微電網(wǎng)在采用群系統(tǒng)一致性算法下，有以下優(yōu)點：

1） 智能體之間通過通信協(xié)議與相鄰智能體交互信息并通過選擇合適的邊權(quán)來提高群智能體單元的收斂速度。

2） 在一致性算法下，各變換器輸出的電流一致，電壓狀態(tài)穩(wěn)定。

3） 在智能體單元接入和退出情況下，群系統(tǒng)一致性算法結(jié)合雙環(huán)控制方法使各個H橋變換器輸出保持狀態(tài)一致，提高了微電網(wǎng)系統(tǒng)的魯棒性和穩(wěn)定運行，對大規(guī)模的混合儲能接入微電網(wǎng)有一定的理論意義。

參考文獻

[1] 周鵬偉，程志江，陳星志.帶混合儲能的微網(wǎng)并網(wǎng)制策略研究[J].可再生能源，2017，35（4）：578?584.

[2] 陳中.級聯(lián)H橋儲能變換器及其控制技術(shù)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2015.

[3] 胡世勇，鄒海榮，唐瀅松.級聯(lián)H橋整流器電容電壓平衡控制策略研究[J].電工技術(shù)，2018，38（21）：159?174.

[4] 李志偉，趙書強，劉應(yīng)梅.電動汽車分布式儲能控制策略及應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2016，40（2）：442?450.

[5] 季振東，趙劍鋒，孫毅超.零序和負序電壓注入的級聯(lián)型并網(wǎng)逆變器直流側(cè)電壓平衡控制[J].中國電機工程學(xué)報，2013，33（21）：9?18.

[6] 梁旭東，范學(xué)鑫，郭鵬輝.一種大功率三電平H橋直流變換器開關(guān)函數(shù)建模[J].船電技術(shù)，2017，40（6）：1730?1735.

[7] 程志江，李永東，謝永流.帶超級電容的光伏發(fā)電微網(wǎng)系統(tǒng)混合儲能控制策略[J].電網(wǎng)技術(shù)，2015，39（10）：2739?2745.

[8] MENG L X， DRAGICEVIC T， VASQUEZ J C， et al. Modeling and sensitivity analysis of consensus algorithm based distributed hierarchical control for DC microgrids [C]// Applied Power Electronics Conference & Exposition. Charlotte： IEEE， 2015： 726?735.

[9] YU Wenwu， WEN Guanghui， CHEN Guanrong. Distributed cooperative control of multi?agent systems [M]. Beijing： Higher Education Press， 2016.

[10] MENG Lexuan， ZHAO Xin， TANG Feng. Distributed voltage unbalance compensation in islanded microgrids by using a dynamic consensus algorithm [J]. IEEE transactions on power electronics， 2016， 1（31）： 827?839.

[11] WU Lizhen， LEI Aihu， HAO Xiaohong. Voltage and reactive power control of microgrids based on distributed consensus algorithm [C]// Proceedings of 2017 29th Chinese Control and Decision Conference. Chongqing： IEEE， 2017： 1403?1408.