船舶混合动力系统双向DCDC变换器模糊PID控制,本论文主要论述了动力系统论文范文相关的参考文献,对您的论文写作有参考作用。
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摘 要：
为提高船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的性能,通过分析混合动力系统工作模式,设计出船舶混合动力系统双向DC/DC变换器仿真模型.基于此,提出该变换器模糊PID控制方法.采用单个模糊PID补偿环节实现了BiBuck/BoostDC/DC变换器的稳定输出.仿真结果表明：模糊PID控制能有效提高系统抗干扰能力,保证双向DC/DC变换器具有良好的动态性能和稳态性能.
关键词：
混合动力船舶；双向DC/DC；模糊PID
中图分类号：U665.13
文献标志码：A 收稿日期：20150825 修回日期：20151113
0引言
与传统的机械推进系统相比,电力推进系统具有更好的经济性、操纵性和安全性,且它的噪音低,并有利于船舶控制环境污染.[12]然而,受到船舶对设备质量和体积的限制以及新能源存储技术的影响,与传统的柴油机推进系统相比,现阶段多数纯电动船舶还未能
满足人们对船舶性能的需求.因此,研究混合动力电动船舶可为船舶从柴油发电机组单独供电过渡到纯电动供电提供可行性方案.
双向DC/DC变换器在混合动力系统中起着重要作用,是船舶混合动力系统的关键设备之一.[34]图1是串联式船舶混合动力系统结构原理,双向DC/DC变换器连接在动力电池与直流母线之间,控制动力电池能量的流向与大小.由动力电池供电时,动力电池通过DC/DC变换器向直流母线传递电能；当能量回流时,直流母线将剩余电能回馈给动力电池进行充电.可见,双向DC/DC变换器是混合动力能量控制系统的核心部件,变换器输出电能应具有良好的稳定性和动态性.
DC/DC变换器是一种采用开关方式控制的直流稳压电源.近年来发展起来的模糊控制是一种仿人智能控制法,它不依赖被控对象的数学模型,便于利用人的经验知识进行控制.将模糊控制技术引入DC/DC变换器是目前研究的热点.文献[5]和[6]将模糊PID控制运用到Buck变换器中,获得了良好的稳态响应和动态响应.文献[7]设计了一种简单的模糊PID控制器,并进行了扰动实验,结果表明模糊PID控制器具有良好的抗干扰性能.文献[8]和[9]运用数字信号处理器（DigitalSignalProcessor,DSP）实现了Buck变换器的模糊PID控制,同样得到了较好的实验结果.文献[10]运用模糊控制实现了Boost变换器的输出稳定,证明了模糊控制对Boost变换器有良好的控制效果.模糊控制对一些复杂的和难以用准确的数学模型描述的系统是非常适宜的,特别是对无法确定的复杂对象具有较好的控制性能.在船舶混合动力系统中,动力电池不断变换充放电模式,要求能量双向流动,这需要结构简单、输出稳定的双向DC/DC变换器.本文基于这一要求提出双向DC/DC变换器的模糊PID控制,保证双向DC/DC变换器两端输出电能的稳定性和抗扰性.
1混合动力双向DC/DC变换器模型分析
1.1变换器拓扑分析
图2为船舶混合动力系统中双向DC/DC变换器的主电路拓扑,其
中V1,V2分别代表直流母线和动力电池的端电压,通过混合动力能量管理策略选择动力电池充放电模式.动力电池放电时,变换器处于Boost模式,变换器须维持稳定的电压输出,但由于受动力电池电量的影响,动力电池放电电压随着时间下降,同时受需求功率的影响,负载电阻时刻变化,这对输出电压稳定性提出了挑战.当动力电池充电时,变换器处于Buck模式,保持输出电压在可靠范围内同样重要.
1.2控制器结构
双向DC/DC变换器要同时兼顾动力电池可随时充、放电的要求,这对混合动力系统能量控制策略是否可实现至关重要.传统的DC/DC变换器控制方法是通过调节PI控制器开关器件的通断时间,达到调节输出电压目的的,但由于DC/DC变换器的非线性特点,往往达不到预期的控制效果.模糊PID控制可动态修正控制器参数,提高系统抗干扰性能,因此本文选择电压反馈模糊PID控制器.如图3所示：将双向DC/DC变换器稳压端输出电压与参考值的误差量E作为电压反馈模糊PID控制器的输入；d是对误差E求导,得到的误差变化率dE/dt作为模糊PID控制器的另一个输入.本文先由变换器参数设计出单PID控制器,在此基础上按照控制要求设计通用模糊控制规则.模糊控制器的输出与PID控制器的输出相乘后生成新的控制量,控制量再与频率为50kHz的锯齿波比较产生PWM波,进而控制DC/DC变换器的IGBT.这里K4和K5是输入比例系数,调节K4和K5能使输入量在合理的控制区间内；K6是输出比例系数,反复调节K6使模糊控制器有更好的输出与PID控制器输出相结合,从而保证变换器输出的稳定性和动态性.
1.ID控制器设计
当动力电池对外供电时,DC/DC变换器处于Boost模式；当直流母线对动力电池充电时,DC/DC变换器处于Buck模式.设图2中IGBT1的占空比为D,引入拉氏符号s,则变换器的Buck模式小信号模型[11]为
同样,变换器的Boost模式小信号模型为
在双端稳压情况下,要求PID控制器能对两个方向的DC/DC变换器进行稳定调节.文献[12]通过对DC/DC变换器模型进行分析,设计出单个PID控制器对双向DC/DC变换器进行稳定调节,并证明此法可行.设系统参数为V1等于100V,V2等于48V,R1等于20Ω,R2等于5Ω,参考电压Vref为5V.根据电流连续时电感及电容取值条件[7],设计电感L等于50μH,电容C1等于C2等于100μF.
式（3）为反馈分压的传递函数表达式,由该式得到Buck模式和Boost模式的反馈分压比分别为
对Buck模式和Boost模式下DC/DC变换器的传递函数同时进行PID的设计,最后配置PID控制器的传递函数
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