基于一致性算法的級聯H橋直流變換器研究

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，提出群系統一致性策略對群H橋模塊進行協同控制。考慮H橋通信拓撲和信息交互權值以及H橋模塊接入和接出系統等情況，分析了系統穩定特性，然后將所有H橋一致性信息與電壓電流雙閉環控制策略相結合，實現了群H橋電流狀態快速一致和電壓的穩定。通過Matlab/Simulink仿真結果表明，所提出的控制方案能有效地實現群H橋變流器的電流一致和電壓穩定，提高系統的魯棒性，對大規模的混合儲能接入微電網有一定的理論意義。

關鍵詞： H橋直流變換器; 一致性算法; 混合儲能; 雙閉環控制; 協同控制; 仿真分析

中圖分類號： TN624?34; TM76? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： 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

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

目前有文獻對級聯H橋直流變換器用作儲能并網裝置進行了研究。文獻[2]提出了一種交錯和同步并聯控制方式，解決了母線電壓的穩定以及各路電流的一致，使系統的輸出一致;文獻[3]提出基于正負序電流解耦的控制方式，解決了級聯H橋變流器的直流母線電壓平衡等問題;文獻[4]通過推導整流器的調制比增量與輸出電壓之間的關系式，然后通過反饋的直流電壓重新配置調制比，以調節各路直流電壓，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]通過對開關管進行數學建模分析來研究H橋直流變換器。這些研究提高了系統的魯棒性和效率，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、電壓電流雙閉環法、開關數學函數建模和控制補償等。這些控制方法都有自己的優缺點，對大規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成混合儲能系統，同時采用交直流復合母線[7]。分布式儲能單元通過級聯H橋接入直流母線，將儲能裝置和H橋當作一個智能體單元。智能體單元之間通過特定的通信協議與相鄰智能體之間進行信息交換來滿足系統的動態變化，使系統的電壓和電流穩定，提高了微電網系統的整體穩定性，利于新能源的大規模應用和消納能力。

1? 級聯H橋儲能系統結構

H橋的直流側為電池儲能單元，采用分布式的配置方式，每一路多個H橋模塊級聯輸出，開關器件可以選擇MOSFET或IGBT，如圖1所示。這種拓撲結構可以實現高電壓等級的輸出和提高開關頻率，并網時產生的諧波很小，同時電池能量管理系統容易設計和儲能系統便于擴容等優點。因此，級聯H橋拓撲結構可以構建大容量和高電壓等級儲能系統。

2? 群H橋控制策略設計

2.1? 分布式H橋一致性雙閉環控制系統

由于H橋可以形成高壓輸出，要保證每個H橋直流側儲能單元電壓穩定，以及整個微電網的穩定運行，同時考慮級聯H橋的特點，采用群系統一致性算法，拓撲結構如圖2所示。

圖2中，系統采用雙環控制方案，即電壓外環、電流內環都采用PI控制。將采樣的直流母線電壓[vDC]與參考電壓[U*]比較，經過電壓積分環節得到電流參考值[i*]。將采集的各支路電流[iL1，iL2，iL3]經一致性算法與參考電流i*比較，經電流積分環節得到占空比d，最后通過控制占空比來控制各個開關管的開和關，最終保證微電網的直流母線電壓[vDC]穩定和H橋輸出電流狀態一致。

雙閉環方案的表達式為：

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

2.2? 基于MAS一致性理論的群H橋變流器控制協議

在含H橋的分布式儲能系統結構中，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議與相鄰智能體交互信息;再利用基于MAS的協調控制方案來控制變量達到預先設定值[8];然后利用一致性算法通過設定的相鄰智能體間的邊權來達到群系統的數據信息交互，以此到達分布式單元的狀態一致或輸出一致。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，則群系統一致性算法的表達形式為：

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

從系統的角度看，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是通信網絡的權矩陣。

如果考慮通信網絡的邊權，則W可以被改寫成：

式中，L被稱為通信網絡的拉普拉斯矩陣[9?10]。

一致性算法的最終迭代結果[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成的向量。

3? 仿真與分析

在Simulink下搭建以級聯數目N=2的H橋直流變換器分析，采用環狀網絡方式進行信息交換。為了保證通信算法的穩定性和快速收斂性，必須保證正確的邊權[ε]和合適的譜半徑[ρ]，根據式（7）選擇合適的邊權值[11]：

式中，[λi（L）]是對稱矩陣的最大特征值。

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

根據圖4的仿真結果可知，不同的邊權值對應不同的收斂速度，當[ε=16]時，系統具有最小的譜半徑和最快的收斂速度。

根據以上分析，在保證系統輸出一致，選擇合適的系統仿真參數，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充電，每個變流器均分得到電流，微電網直流母線電壓保持在150 V。0.3 s時，加入負載，微電網直流母線電壓下降，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，同時微電網直流母線電壓下降0.5 V，但是在很短時間內恢復到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，微電網直流母線電壓上升0.5 V，但是在很短時間內恢復到150 V。增加和減少負載，電流的變化趨勢和電壓一樣，主要是儲能系統的加入，微電網直流母線電壓基本保持不變，但是由于儲能系統需要一定的響應時間，所以電壓出現一些細小的波動。

當其中一個變換器突然出現故障導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，系統中一個變換器出現故障，導致原來的通信拓撲發生改變，并且在同時增加負載情況下，直流微電網依舊穩定運行，此時變流器電流達到75 A，此后電流一直穩定在75 A，系統正常運行。

級聯H橋儲能直流變換器拓撲結構中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不同。圖7中，變換器輸出電流波形基本一致，誤差都在規定的范圍內。圖8中，電流的輸出出現偏差，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? 論

通過以上的仿真結果，可以看出，搭建含級聯H橋直流變換器的微電網在采用群系統一致性算法下，有以下優點：

1） 智能體之間通過通信協議與相鄰智能體交互信息并通過選擇合適的邊權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，電壓狀態穩定。

3） 在智能體單元接入和退出情況下，群系統一致性算法結合雙環控制方法使各個H橋變換器輸出保持狀態一致，提高了微電網系統的魯棒性和穩定運行，對大規模的混合儲能接入微電網有一定的理論意義。

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