一种基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法

摘要

本发明提出了一种基于双向DC‑DC变换器的模糊控制方法，属于独立光伏发电系统领域，包括以下步骤：步骤1：提出独立光伏发电系统的概念；步骤2：提出超级电容的概念；步骤3：构建一种新的模糊控制器,即对模糊控制器的设计；步骤4：甄别双向DC－DC变换器的工作状态；步骤5：采用模糊控制策略对双向DC－DC变换器进行控制；步骤6：输入阶跃信号，输出为直流母线上的电压值。本发明减少了化石能源的利用，以混合动力系统与光伏系统相结合的形式提升了混合动力起重机节能减排的能力，促进其现代化与清洁化，具有巨大的经济效益和社会效益。同时，对现代混合动力起重机的生产具有指导意义和推广价值。

说明书

技术领域

本发明属于独立光伏发电系统领域，特别是涉及一种基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法。

背景技术

随着可持续发展观念在世界各国不断深入人心，全球太阳能开发利用规模迅速扩大，技术不断进步，成本显著降低，呈现出良好的发展前景，许多国家将太阳能作为重要的新兴产业，太阳能得到更加广泛应用。

由于经济全球化的不断深入，世界化石能源问题的不断突显，对新兴能源的研究和利用成为维持人类发展的必要手段。近些年来随着太阳能光伏发电技术的不断进步和光伏产业的长足发展，太阳能光伏发电以其优越性显露出巨大潜能，光伏发电可灵活运用在多种情况下，也可与各种能源结合，其必将成为未来主要能源之一。

轮胎式集装箱门式起重机(RTG)是集装箱货物进行堆码作业的专用机械，由门形支架、动力传动系统、起升机构、大车运行机构、小车运行机构及伸缩式吊具等组成。其具有机动性好、通用性好、可承担负载大以及工作效率高等优点被广泛应用于港口，成为不可或缺的港口运输机械。

传统的RTG能量利用率不高、功耗大、噪声大，因此重点就在解决RTG节能减排的问题上。本文主要就传统的RTG进行改进，在改进的系统中考虑了模糊控制系统电压、混合动力与光伏发电相结合以及选择蓄电池等问题。这样就使得起重机使用时能量消耗得以降低，从而污染物排放得以减少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法，在混合动力系统中加入独立光伏发电系统，使用超级电容器作为储能元件，利用模糊控制的方法使电压处于恒定值，以确保系统的节能减排、电池充放电寿命长且无污染以及直流母线和超级电容的安全。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法，基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法中加入独立光伏发电系统，存储可再生能源所发电量供混合动力起重机使用，包括如下步骤：

步骤1：采用独立光伏发电系统，在光线充足的时候将光能转化为电能直接为混合动力起重机供电，在光线不足以供电时，利用超级电容的储能作用，继续为混合动力起重机供电；

步骤2：计算超级电容器的充放电效率；

步骤2.1：进行模拟运行的准备，超级电容器的充放电效率目标函数为θ，关于超级电容效率的目标函数，表示如下：

θ＝θ

式中：θ

步骤2.2：定义超级电容器的充电效率为θ

式中：U

步骤2.3：定义超级电容器的放电效率为θ

步骤3：设计一种模糊控制器；

步骤3.1：对模糊控制器的输入变量和输出变量进行模糊化；模糊控制器的输入变量为输入双向DC－DC变换器中的电压V

步骤3.2：设计模糊控制器的控制规则；根据模糊控制规则表求解得到隶属度，即得到论域内的值

步骤3.3：通过解模糊使得模糊量清晰化，通过重心法解模糊使得模糊控制器的输出变量清晰化，表示如下：

式中：U代表输出变量精确值；

步骤4：甄别双向DC－DC变换器的工作状态；

步骤4.1：双向DC－DC变换器处于Boost模式下，当S2管处于导通时，以电流I作为状态变量，可以得到状态方程，表示如下：

式中：U

步骤4.2：双向DC－DC变换器处于Boost模式下，当S2管处于关断时，以电流I作为状态变量，可以得到状态方程，表示如下：

步骤4.3：依据步骤4.1和步骤4.2采用状态空间平均法得到状态方程，表示如下：

步骤4.4：由步骤4.3推导得到一阶微分方程组，表示如下：

步骤4.5：由步骤4.4可以进一步得到小信号传递函数，表示如下：

步骤4.6：双向DC－DC变换器处于Buck模式下，重复步骤4.1到步骤4.4即得到其小信号传递函数，表示如下：

步骤5：采用模糊控制策略对双向DC－DC变换器进行控制，使超级电容在正常的范围内工作，并使充电电流、放电电流和电压均满足起重机的需求；

步骤6：输入阶跃信号，模拟双向DC－DC变换器变更工作状态时的信号，即系统变更为由超级电容供电，输出为直流母线上的电压值。

进一步的，步骤2中所述的超级电容作为储能装置存储电能。

进一步的，步骤2.1中所述的超级电容不会彻底放电，剩余的电量为满容量的一半。

进一步的，所述步骤4为利用Switch模块选择模糊控制器的输出信号，甄别双向DC－DC变换器的工作状态。

本发明的优点及有益效果是：

本发明提出独立光伏发电系统与超级电容的概念，采用超级电容作为储能装置，存储可再生能源所发电量供混合动力起重机使用，依据电动机和直流母线上的电压基本保持恒定，而超级电容的电压变化范围宽，提出连接双向DC－DC变换器的方法，突破直流母线和超级电容器的接口问题的限制，以模糊控制恒压的控制策略，更好地保证直流母线和超级电容器的安全，同时有效地利用光伏发电，在安全的前提下实现了起重机使用时能量的节约以及排放量的减少。本发明减少了化石能源的利用，以混合动力系统与光伏系统相结合的形式提升了混合动力起重机节能减排的能力，促进其现代化与清洁化，具有巨大的经济效益和社会效益。同时，对现代混合动力起重机的生产具有指导意义和推广价值。

附图说明

图1是本发明中独立光伏发电系统原理图。

图2是本发明中双向DC－DC变换器拓扑结构图。

图3是本发明中双向DC－DC变换器工作在不同模式下的能量流向图。

图4是本发明中模糊控制器控制双向DC－DC变换器的流程图。

图5是本发明中模糊控制双向DC－DC变换器的控制曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明为一种基于双向DC-DC变换器的模糊控制方法，包括以下步骤：

步骤1：采用独立光伏发电系统，其原理图如图1所示。在光线充足的时候将光能转化为电能直接为混合动力起重机供电，在光线不足以供电时，利用超级电容的储能作用，继续为混合动力起重机供电。

步骤2：本发明说明书所涉及的蓄电池采用超级电容。由于超级电容电压变化范围宽，而发电机组和直流母线上的电压基本上是恒定的，因此，必须连接双向DC－DC变换器来解决直流母线和超级电容器的接口问题，并利用模糊控制恒压的控制策略，更好地保证直流母线和超级电容器的安全，在安全的前提下达到节能减排的目的。

步骤2.1：进行模拟运行的准备，其中超级电容通常不会彻底放电，剩余的电量一般为满容量的一半，所以超级电容器的充放电效率表达式，表示如下：

θ＝θ

步骤2.2：定义超级电容器的充电效率为θ

步骤2.3：定义超级电容器的放电效率为θ

步骤2.4：定义C

步骤3：构建一种新的模糊控制器,即对模糊控制器的设计。其中包括：确定模糊控制器的输入、输出变量；设计模糊控制器的控制规则；确定清晰量模糊化以及模糊量清晰化的方法。

步骤3.1：对模糊控制器的输入变量和输出变量进行模糊化。模糊控制器的输入变量为输入双向DC－DC变换器中的电压V

步骤3.2：设计模糊控制规则。根据模糊控制规则表可以求解得到隶属度，即论域内的值

表1模糊控制规则表

步骤3.3：通过解模糊使得模糊量清晰化。采用重心法解模糊，对模糊控制规则论域内获取的输出量清晰化，获得修正精确值。重心法解模糊的表达式为：

步骤4：在模型中，利用Switch模块来选择模糊控制器的输出信号，从而甄别双向DC－DC变换器应当工作在Boost和Buck状态中的哪一种。当双向DC－DC变换器处于Boost模式下，S1管关断，S2管工作，通过调制S2管的占空比D来实现储能元件的放电；当双向DC－DC变换器处于Buck工作模式时,S1管工作，S2关断，只需要控制S1管的占空比D'即可,此时超级电容处于充电状态。

步骤4.1：由图3左所示，双向DC－DC变换器处于Boost模式下，当S2管处于导通时，以电流I作为状态变量，可以得到状态方程为：

步骤4.2：当S2管处于关断时，以电流I作为状态变量，可以得到状态方程为：

步骤4.3：对步骤4.1和步骤4.2采用状态空间平均法得：

步骤4.4：由步骤4.3可以得到一阶微分方程组：

步骤4.5：由步骤4.4可以进一步得到小信号传递函数：

步骤4.6：同理，由图3右所示，双向DC－DC变换器处于Buck模式下，重复步骤4.1到步骤4.4即可得到其小信号传递函数：

步骤5：采用模糊控制策略对双向DC－DC进行控制，使超级电容在正常的范围内工作，并使充电电流、放电电流和电压均可满足起重机的需求。

步骤6：输入阶跃信号，模拟双向DC－DC变换器变更工作状态时的信号，即系统变更为由超级电容供电，输出为直流母线上的电压值。V

表2 V

本发明利用阶跃信号作为输入变量，模拟双向DC－DC变换器变更工作状态的信号(频率为50kHz)，输出变量为修正后的精确电压值。从图5可以看出，本发明通过模糊控制控制双向DC－DC变换器的状态更改，可以在1至3个震荡周期内达到稳态，且调节时间未超越1.5ms。本发明所构建的模型达到稳态的时间较短，系统的超调和震荡都处于合理的范围内，有较强的鲁棒性，基本可以实现能量源的无缝切换，即充分利用模糊控制器控制双向DC－DC变换器，合理地分配能量源的供能功率，使系统可以在极短的时间内改变工作状态，对系统影响较小，同时可以充分利用光伏所发电量，减少化石能源的利用，降低起重机的排放。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。