基于三相变流器的电动汽车充放电模型预测控制研究

作     者：曹乔森 

作者单位：内蒙古工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建伟;阿敏夫

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 

主      题：模型预测控制 电动汽车充放电 扰动抑制 鲁棒性 计算量 

摘      要：为缓解能源危机及环境污染等问题,以电动汽车为核心的交通电气化正在快速发展,新兴的电动汽车车网关系(vehicle-to-grid,V2G以及grid-to-vehicle,G2V)应运而生。而合理有效的电动汽车充放电控制策略是保证车网系统正常运行的关键手段。本文以电动汽车充放电为研究背景,对电动汽车充放电的模型预测控制(model predictive control,MPC)策略进行研究。通过对电动汽车充放电的标准、拓扑结构以及MPC存在的问题的分析,确定以三相桥式全控整流器为研究对象,以实现电动汽车充放电的平滑切换,优化MPC算法减少算法计算量,并增强MPC对参数变化的鲁棒性为研究目标。为实现电动汽车充放电的平滑切换,分析了传统充放电切换策略不能实现平滑切换的原因,进而对传统充放电切换策略进行改进,将充放电外环共用一个积分器,一方面能够避免充电模式(恒流/恒压)切换瞬间反馈电流与参考电流差值过大引起较大冲击的问题,另一方面可以通过重置积分器,有效避免放电模式切换至充电模式后可能引起的控制失控问题。通过仿真验证了改进型切换策略实现平滑切换的可行性。为增强MPC对参数变化的鲁棒性,利用扩张状态观测器(extended state observer,ESO),研究一种基于ESO的抗扰MPC,推导了基于ESO的预测电流模型。该方法无需精确的系统模型,只需要使用系统的输入和输出数据即可获得预测电流。通过仿真结果验证了基于ESO的抗扰MPC对模型参数变化及不匹配具有较强的鲁棒性。为改善单矢量MPC控制精度不高,而多矢量MPC计算量大的问题,采用一种基于相邻矢量的MPC(adjacent vector based-MPC,AVB-MPC),AVB-MPC能够利用阈值控制多矢量MPC的应用频率以增强控制精度,同时以使用相邻矢量为原则绘制的电压矢量应用表减少了MPC迭代计算次数与计算量。通过仿真验证了AVB-MPC在改善控制精度的前提下具有与单矢量MPC相近的计算量。将ESO与AVB-MPC结合提出一种ESO-AVB-MPC控制策略,增强了对参数变化的鲁棒性。仿真结果验证了ESO-AVB-MPC策略的可行性与有效性。最后,利用电池模拟器与AC/DC变换器搭建电动汽车电池充放电控制的实验平台,对仿真结果进行进一步的实验验证。实验结果均与仿真结果较为一致,进一步验证了所提控制策略的可行性和有效性。