一种基于混合电推进系统的分层控制方法及相关装置

本发明涉及混合动力无人机的推进控制，尤其涉及一种基于混合电推进系统的分层控制方法及相关装置。

背景技术：

1、无人机的混合电推进能量系统由多个动力源组成，如何通过合理的能量管理控制策略，对多能量源协调控制，充分发挥各自的优势以实现整机性能最优是当前混合电推进系统的重点和难点。

2、目前已有的研究多通过设计控制策略来协调各能量源之间的能量分配以实现燃油消耗最小的目标，但通常忽略了不同负载之间时间尺度差异对系统动态响应造成的影响。对于混合电推进系统，负载既有飞行推进负载，同时还包括任务负载和飞行控制作动负载，这些负载的时间尺度各不相同，导致对能量分配与功率响应的需求存在差异；时间尺度的不同表现在推进负载变换缓慢，时间尺度较大，要求稳态能量优化以降低油耗，而任务负载和作动负载变化快速、时间尺度较小，需要快速的功率动态调节以保证飞行安全和任务执行，两者之间的矛盾是传统能量管理策略未能考虑的问题。

3、目前的混合电推进系统的控制策略包括基于规则的控制策略，基于优化的控制策略和基于学习的控制策略；其中，基于规则的控制策略实现简单、计算量小，但其规则通常依赖专家经验或固定阈值，难以适应飞行任务中不同负载的时间尺度差异，无法动态协调多能量源的功率分配以达到整机性能最优；而基于优化的控制策略中的模型预测控制，可以通过有限时域滚动优化，兼顾不同时间尺度的负载特性，实时求解与功率动态协调，在逼近全局最优的同时满足系统的快速响应需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于混合电推进系统的分层控制方法及相关装置，实现了混合电推进能量系统燃油经济性，以及电能质量与变换器的可靠性的联合最优。

2、为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于混合电推进系统的分层控制方法，应用于混合电推系统，所述混合电推系统由发电机组、至少两个储能电池组、至少两个dab变换器、若干个驱动电机和直流母线，其中至少两个储能电池组利用至少两个dab变换器在直流母线上与发电机组串并联，若干个驱动电机连接在直流母线的负载侧，所述方法包括：

3、获得所述混合电推进系统的实时数据，所述实时数据至少包括负载功率、至少两个储能电池组中每一个储能电池组的储能电池状态信息、直流母线的实时输出电压，以及每一个dab变换器的实时输出电流；

4、基于所述实时数据中的负载功率和每一个储能电池组的储能电池状态信息在预测控制中，以最小燃油消耗为目标构建包含燃油消耗项与电池荷电状态维持项的目标函数，利用所述目标函数计算出下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令及发电机组的输出功率指令；

5、在以下一时刻发电机组的输出功率指令控制发电机组时，基于下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令获得每一个dab变换器对应的下垂系数；

6、基于直流母线的参考电压、每一个dab变换器对应的下垂系数以及每一个dab变换器的输出电流，计算出下一时刻的每一个dab变换器的电压参考值，并以最小化电压偏差值作为优化目标，结合约束条件，获得下一时刻的最优移相比；

7、基于下一时刻的最优移相比对每一个dab变换器进行调整控制。

8、可选的，所述预测控制为基于离散时间建立，具体如下：

9、；

10、；

11、式中，为当前时刻；为下一时刻；为采样周期；为第个储能电池组在时刻的荷电状态；为第个储能电池组在时刻的荷电状态；为第个储能电池组的额定容量；为第个储能电池组的充放电效率函数；为第个储能电池组的输出功率。

12、可选的，所述以最小燃油消耗为目标构建包含燃油消耗项与电池荷电状态维持项的目标函数的具体过程包括：

13、采用三次多项式对发电机组的特性曲线进行拟合，通过最小二乘法获得拟合系数，其中三次多项式如下：

14、；

15、则瞬时燃油消耗量表示为：

16、；

17、结合发电机组的瞬时燃油消耗量，建立以最小燃油消耗为目标构建包含燃油消耗项与电池荷电状态维持项的目标函数如下：

18、；

19、；

20、式中，为发电机组的输出功率，为在时燃油消耗率g/kwh；为拟合系数，通过实验数据拟合燃油消耗率曲线获得；为瞬时燃油消耗量；为有限预测时域；在时刻时的瞬时燃油消耗量，与发电机组的功率关联；为第个储能电池组的soc参考值；为第个储能电池组在时刻的荷电状态；和为权重系数，分别用于调节燃油经济性与电池soc。

21、可选的，所述利用所述目标函数计算出下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令及发电机组的输出功率指令，包括：

22、引入约束条件，功率平衡等式约束，即发电机组与至少两个储能电池组的功率之和满足负载需求，如下：

23、；

24、限制发电机组的输出功率上下限，以使发电机组维持在最佳工作点或最佳工作区间，如下：

25、；

26、对每一个储能电池组的电池功率限幅，确保充放电功率在承受范围内如下：

27、；

28、将每一个储能电池组的soc严格限制在设定安全范围内，如下：

29、

30、在上述的约束条件下，利用所述目标函数计算出下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令及发电机组的输出功率指令；

31、其中，为在时刻的负载功率；为发电机组在时刻的输出功率；为第1个储能电池组在时刻的输出功率；为第2个储能电池组在时刻的输出功率； 为第m个储能电池组在时刻的输出功率；为发电机组在时刻的最优输出功率；为发动机组的输出功率下限；为发电机组的输出功率上限；为第m个储能电池组的最优充放电功率；为储能电池组的充电功率上限；为储能电池组的放电功率上限；为第m个储能电池组的soc值；为soc值的下限；为soc值的上限。

32、可选的，所述基于下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令获得每一个dab变换器对应的下垂系数，包括：

33、根据第m个dab变换器输出的电流值生成第m个dab变换器的直流电压的参考值如下：

34、；

35、并联状态下，每一个dab变换器的直流电压均相等，则存在：

36、；

37、则有：

38、；

39、由此获得每一个储能电池组的输出功率与下垂系数的关系如下：

40、；

41、则有：

42、;

43、根据允许直流母线电压偏差与顶层功率分配结果计算第m个dab变换器对应的下垂系数时，设允许直流母线的电压下垂量为，则第m个dab变换器的参考电流为：

44、；

45、则第m个dab变换器的下垂系数如下：

46、；

47、其中，为直流母线的给定参考电压；为第m个dab变换器的下垂系数；为第m个dab变换器的输出电流；，；为第m个储能电池组的输出功率。

48、可选的，所述基于直流母线的参考电压、每一个dab变换器对应的下垂系数以及每一个dab变换器的输出电流，计算出下一时刻的每一个dab变换器的电压参考值，如下：

49、；

50、式中，为第m个dab变换器对应的下垂系数；为直流母线的参考电压；为第m个dab变换器在时刻的电压参考值；为第m个dab变换器在时刻的输出电流。

51、可选的，所述以最小化电压偏差值作为优化目标，结合约束条件，获得下一时刻的最优移相比，包括：

52、建立每一个dab变换器的离散状态方程，如下：

53、；

54、然后以最小化电压偏差值作为优化目标构建目标函数，以获得下一时刻的最优移相比，如下：

55、；

56、其中，控制变量的约束如下：

57、;

58、直流母线输出电压按照标准要求也不能有超过设定的变化范围的约束条件如下：

59、；

60、每一个dab变换器在时刻的输出电流的约束为：

61、；

62、其中，为直流母线在时刻的输出电压； 直流母线在时刻的输出电压；为第m个dab变换器在时刻的电压参考值；为第m个dab变换器在时刻的输出电压； 第m个dab变换器在时刻的输出电流；和为对应的权重值，；为第m个dab变换器在时刻的输出电压；为dab变换器的输入电压；为dab变换器内的高频隔离变压器从原边到副边的匝数比；为折算到高频隔离变压器原边的变压器漏感；为dab变换器的输出电容；为采样周期；为第m个dab变换器在时刻的移相比；为有限预测时域。

63、另外，本发明实施例还提供了一种基于混合电推进系统的分层控制装置，应用于混合电推系统，所述混合电推系统由发电机组、至少两个储能电池组、至少两个dab变换器、若干个驱动电机和直流母线，其中至少两个储能电池组利用至少两个dab变换器在直流母线上与发电机组串并联，若干个驱动电机连接在直流母线的负载侧，所述装置包括：

64、数据获得模块：用于获得所述混合电推进系统的实时数据，所述实时数据至少包括负载功率、至少两个储能电池组中每一个储能电池组的储能电池状态信息、直流母线的实时输出电压，以及每一个dab变换器的实时输出电流；

65、输出功率指令计算模块：用于基于所述实时数据中的负载功率和每一个储能电池组的储能电池状态信息在预测控制中，以最小燃油消耗为目标构建包含燃油消耗项与电池荷电状态维持项的目标函数，利用所述目标函数计算出下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令及发电机组的输出功率指令；

66、下垂系数计算模块：用于在以下一时刻发电机组的输出功率指令控制发电机组时，基于下一时刻的每一个储能电池组对应的输出功率指令获得每一个dab变换器对应的下垂系数；

67、最优移相比计算模块：用于基于直流母线的参考电压、每一个dab变换器对应的下垂系数以及每一个dab变换器的输出电流，计算出下一时刻的每一个dab变换器的电压参考值，并以最小化电压偏差值作为优化目标，结合约束条件，获得下一时刻的最优移相比；

68、调整控制模块：用于基于下一时刻的最优移相比对每一个dab变换器进行调整控制。

69、另外，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括处理器和存储器，所述处理器运行存储于所述存储器中的计算机程序或代码，实现如上述中任一项所述的分层控制方法。

70、另外，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，用于存储计算机程序或代码，当所述计算机程序或代码被处理器执行时，实现如上述中任一项所述的分层控制方法。

71、在本发明实施例中，通过构建分层模型的预测控制框架，在能量管理层通过多目标代价函数同时优化燃油消耗与电池荷电状态，输出发动机功率设定值与下垂系数，实现全局最优能量分配在功率控制层提出面向dab变换器的分布式多目标mpc（模型预测控制）策略，基于其非线性功率传输模型，构建含快速电压跟踪与移相比平滑性的成本函数，求解最优移相比，依据顶层下垂系数实现功率调节与母线电压稳定；实现了混合电推进能量系统燃油经济性，以及电能质量与变换器的可靠性的联合最优。