用于动力电池测试系统的直流母线控制方法及系统与流程

1.本发明涉及动力电池检测技术领域，尤其涉及一种用于动力电池测试系统的直流母线控制方法及系统。


背景技术：

2.随着市场容量的扩张，动力电池与储能集装箱的安全性受到广泛关注，动力电池组生产、运维都需要经过完整的高精度性能检测，才能保障系统的高安全性、可靠性，进而衍生出动力电池检测细分领域。该领域需要应用高精度大功率的储能与动力电池专业测试设备组成测试系统，实现模拟储能电站、电动汽车等运行的各种工况，以获取精确的检测数据，为储能与动力电池的研究、生产及应用提供科学的依据。对于现有的储能与动力电池组测试设备，对直流母线的电参数控制技术有许多不足之处，如，传统的控制策略仅使用比例积分(pi)控制器的电压电流双环控制，无法完全解决母线电压瞬间满载的波动与冲击，影响第二级输出直流变换控制精度；其次，传统双环控制策略增加功率前馈与电流前馈的控制方法，一定程度上可以改善母线电压波动响应，但由于前馈量需要经电流内环调节，故存在输出滞后电流给定值的现象，影响第二级输出直流变换响应特性；再者，对于传统双环控制策略，电网不平衡时，会引起直流母线功率波动，造成直流母线电压高频振荡型波动，进而传导至第二级直流输出侧影响控制精度。另外，基于上述问题，也有通过增加直流母线电流互感器来采集母线负荷变化实时信息，以解决前馈控制的问题，但这会增加额外成本，且大电流直流互感器选型较困难，母线铜排无法穿过互感器，进而无法改善第二级输出直流变换控制精度。


技术实现要素：

3.本发明的目的是为解决上述技术问题而提供一种在动力电池测试实验中可有效提高对直流输出实时性和精度控制的用于动力电池测试系统的直流母线控制方法及系统。
4.为了实现上述目的，本发明公开了一种用于动力电池测试系统的直流母线控制方法，该动力电池测试系统包括逆变器、若干直流电压转换器以及驱动电路，所述逆变器通过直流母线分别与若干所述直流电压转换器电性连接，每一所述直流电压转换器分别用于与一电池组电性连接；所述驱动电路用于实时控制所述逆变器的工作状态；所述控制方法包括：
5.实时采集所述直流母线两端的电压，以获得母线电压，并以所述母线电压作为采样值，通过变换计算生成反馈信号；
6.从所述逆变器与供电电网之间实时采集逆变电压和逆变电流；
7.根据功率守恒原理，以及所采集到的逆变电压、逆变电流和母线电压，计算所述直流母线上的实时电流值，以获得母线电流；
8.将所述母线电流送入非线性扩张状态观测器，以输出第一前馈信号；
9.根据所述反馈信号、所述第一前馈信号生成驱动调节信号；
10.将所述驱动调节信号加载到所述驱动电路，以控制所述逆变器的运行。
11.较佳地，以所述逆变电流作为采样值，通过变换计算获得第二前馈信号；
12.以所述逆变电压作为采样值，通过变换计算和预测算法获得第三前馈信号；
13.根据所述反馈信号、所述第一前馈信号、第二前馈信号以及所述第三前馈信号生成所述驱动调节信号。
14.较佳地，根据所述反馈信号、所述第一前馈信号、第二前馈信号以及所述第三前馈信号生成所述驱动调节信号的方法包括：
15.将所述母线电压与母线参考电压的差值输入电压环控制器，以输出作为所述反馈信号的第一电流环给定值；
16.计算所述母线电流，并将之送入非线性扩张状态观测器，以输出预测下一时刻母线电流的前馈电流；
17.将所述第一电流环给定值和所述前馈电流相加得到第二电流环给定值；
18.根据采集到的所述逆变电流计算出供电电网的分量电流；
19.将所述第二电流环给定值与所述分量电流最差运算，并将结果输入电流环控制器，并从该电流环控制器输出特征电压；
20.根据采集到的三相供电电网的所述逆变电压计算出供电电网的分量电压，并通过电网电压扰动预测算法对该分量电压进行预测处理，以得到用作第三前馈信号的前馈电压；
21.将所述前馈电压与所述特征电压累加计算，以生成所述驱动调节信号。
22.较佳地，所述动力电池测试系统还包括设置在所述逆变器和所述供电电网之间的大功率隔离变压器。
23.较佳地，所述动力电池测试系统还包括设置在所述直流电压转换器和所述动力电池组之间的滤波器。
24.本发明还公开一种用于动力电池测试系统的直流母线控制系统，其包括逆变器、若干直流电压转换器、驱动电路、反馈单元、第一前馈单元以及信号处理单元；所述逆变器通过直流母线分别与若干所述直流电压转换器电性连接，每一所述直流电压转换器分别用于与一电池组电性连接；所述驱动电路用于实时控制所述逆变器的工作状态；
25.所述反馈单元，用于实时采集所述直流母线两端的电压，以获得母线电压，并以所述母线电压作为采样值，通过变换计算生成反馈信号；
26.所述第一前馈单元，包括直流电流运算模块和非线性扩张状态观测器，所述直流电流运算模块用于采集所述逆变器和供电电网之间的逆变电压和逆变电流，并根据功率守恒原理和所述母线电压计算输出母线电流，所述非线性扩张状态观测器用于对所述母线电流进行预测处理，以得到第一前馈信号；
27.所述信号处理单元，用于对所述反馈信号和所述第一前馈信号进行处理，以生成用于加载到所述驱动电路以控制所述逆变器运行的驱动调节信号。
28.较佳地，还包括第二前馈单元和第三前馈单元；
29.所述第二前馈单元，用于对所述逆变电流进行变换处理，以获得提供给所述信号处理单元的第二前馈信号；
30.所述第三前馈单元，用于对所述逆变电压进行变换和预测处理，以获得提供给所
述信号处理单元的第三前馈信号。
31.较佳地，所述反馈单元，包括电压比较模块和电压环控制器，所述信号处理单元包括第一信号处理模块、第二信号处理模块以及第三信号处理模块；
32.所述反馈单元通过所述第一信号处理模块与所述第一前馈单元连接，所述电压比较模块用于将母线电压与参考电压进行比较，并将差值送入所述电压环控制器，所述电压环控制器用于根据所述电压比较模块反馈的差值生成作为反馈信号的第一电流环给定值，所述第一信号处理模块用于将所述反馈信号和所述第一前馈信号相加而生成第二电流环给定值；
33.所述第二前馈单元，包括三相电流运算模块，所述三相电流运算模块通过第二信号处理模块与所述第一信号处理模块连接，所述三相电流运算模块用于根据所述逆变电流计算所述供电电网的并作为第二前馈信号的电流分量；
34.所述第二信号处理模块，用于对所述第二电流环给定值和所述电路分量做差处理；
35.所述第三前馈单元，包括三相电压运算模块和电网电压扰动预测模块，所述三相电压运算模块用于根据所述逆变电压计算所述供电电网的电压分量，所述电网电压扰动预测模块用于根据所述电压分量进行预测处理，以输出作为第三前馈信号的前馈电压；
36.所述电网电压扰动预测模块依次通过第三信号处理模块和电流环控制器与所述第二信号处理模块连接；所述电流环控制器用于根据所述第二信号处理模块输出的结果生成特征电压，所述第三信号处理模块用于将所述前馈电压和所述特征电源累加计算，以生成所述驱动调节信号；
37.所述直流母线控制系统还包括pwm计算模块，所述pwm计算模块用于根据所述驱动调节信号计算生成可供所述驱动电路使用得到pwm波驱动信号。
38.较佳地，还包括设置在所述逆变器和所述供电电网之间的大功率隔离变压器。
39.较佳地，还包括设置在所述直流电压转换器和所述动力电池组之间的滤波器。
40.与现有技术相比，本发明直流母线控制方法，基于两级变换式动力电池测试系统，工作时，实时采集母线电压并生成反馈信号，并采用非线性扩张状态观测器对计算出的母线电流进行处理，以得到对对母线电流进行预测的第一前馈信号，进而根据对反馈信号和第一前馈信号的综合处理，生成驱动调节信号，由此可知，通过上述控制方法，具有如下有益技术效果：
41.1、提高动力电池测试系统正常运行过程中直流母线上电参数的稳定性，减小母线电压控制纹波，进而提升直流母线上电参数的控制精度；
42.2、测试过程中，瞬间满载时，直流母线上的波动和冲击比较小，加快动态效应；
43.3、有效解决因增加前馈量而造成的响应滞后效应，提升直流母线上的电流控制实时性；
44.4、无需增加大功率直流互感器，有效节约成本。
附图说明
45.图1为本发明实施例中动力电池测试系统的原理结构图。
46.图2为本发明其中一实施例中动力电池测试系统的控制原理示意图。
47.图3为本发明另一实施例中动力电池测试系统的控制原理示意图。
48.图4为本发明实施例中驱动调节信号生成流程图。
49.图5为本发明另一实施例中动力电池测试系统的控制原理示意图。
具体实施方式
50.为详细说明本发明的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图详予说明。
51.本实施例公开了一种用于动力电池测试系统的直流母线控制方法，以对动力电池测试系统运行过程中的直流母线上的电参数进行控制，从而提升测试效果和测试效率。如图1，本实施例中的动力电池测试系统包括逆变器10(ac/dc)、若干直流电压转换器11(dc/dc)以及驱动电路12。逆变器10通过直流母线分别与若干直流电压转换器11电性连接。每一直流电压转换器11分别用于与一电池组电性连接，从而为该电池组提供功率驱动。驱动电路12用于实时控制逆变器10的工作状态，即控制逆变器10像直流母线加载的电压、电流等电参数。
52.如图2，本实施例中的控制方法包括如下步骤：
53.a：实时采集直流母线两端的电压，以获得母线电压，并以母线电压作为采样值，通过变换计算生成反馈信号；
54.b：从逆变器10与供电电网之间实时采集逆变电压(v
grida
、v
gridb
、v
gridc
)和逆变电流(iinva、iinvb、iinvc)；
55.c：根据功率守恒原理，以及所采集到的逆变电压、逆变电流和母线电压，计算直流母线上的实时电流值，以获得母线电流；具体地，逆变电压为u1，逆变电流为i1，母线电压u2，那么母线电流i2＝u1*i1/u2；
56.d：将母线电流送入非线性扩张状态观测器13(nleso)，以输出第一前馈信号；
57.e：根据反馈信号、第一前馈信号生成驱动调节信号；
58.f：将驱动调节信号加载到驱动电路12，以控制逆变器10的运行。
59.在上述实施例中，分别从逆变器10的前后两端采样，以生成反馈信号和第一前馈信号，从而构成对逆变器10的反馈控制。其中，第一前馈信号是通过非线性扩张状态观测器13对计算出的母线电流进行预测处理而得到的，这与传统的电压电流双环反馈调节相比，母线电流的前馈量不需要经电流内环调节，故可避免输出滞后电流给定值的现象，提升直流电压转换器11输出直流变换响应特性。而且，通过上述控制方法，还可有效减小直流母线电压控制纹波，提升对直流母线的控制精度。
60.如图3，为有效降低供电电网的波动对直流母线控制的影响，上述控制方法还包括：
61.以逆变电流作为采样值，通过变换计算获得第二前馈信号；
62.以逆变电压作为采样值，通过变换计算和预测算法获得第三前馈信号；
63.根据反馈信号、第一前馈信号、第二前馈信号以及第三前馈信号生成驱动调节信号。
64.本实施例中，分别通过供电电网输出的逆变电压和逆变电流生成第二前馈信号和第三前馈信号，从而使得驱动电路12可根据供电电网的波动调整逆变器10的运行。
65.具体地，如图4和图5，根据反馈信号、第一前馈信号、第二前馈信号以及第三前馈信号生成驱动调节信号的方法包括如下步骤：
66.s1：将母线电压v
busref
与预设的母线参考电压v
busref
的差值输入电压环控制器pi1，以输出作为反馈信号的第一电流环给定值i
dref1
；
67.s2：计算母线电流，并将之送入非线性扩张状态观测器13，以输出预测下一时刻母线电流的前馈电流i
dff
，该前馈电流i
dff
即为第一前馈信号；
68.s3：将第一电流环给定值i
dref
和前馈电流i
dff
相加得到第二电流环给定值i
dref2
；
69.s4：根据采集到的三相供电电网的逆变电流计算出供电电网的分量电流i
dreal
(也即d轴分量逆变电流值),该分量电流i
dreal
即为第二前馈信号；
70.s5：将第二电流环给定值i
dref2
与分量电流i
dreal
做差运算，并将结果输入电流环控制器pi2，并从该电流环控制器pi2输出特征电压d；
71.s6：根据采集到的三相供电电网的逆变电压计算出供电电网的分量电压u
dreal
(也即轴分量电网电压),并通过电网电压扰动预测算法对该分量电压u
dreal
进行预测处理，以得到用作第三前馈信号的前馈电压ud；在此需要说明的是，电网电压扰动预测算法属于本领域的公知技术常识，即根据对供电电网的谐波分析进行电压预测，因此，对其具体预测原理不再赘述。
72.s7：将前馈电压ud与特征电压d累加计算，以生成驱动调节信号。
73.当驱动调节信号生成后，即可根据该驱动调节信号生成相应的pwm波控制信号，然后将该pwm波控制信号加载到驱动电路12即可。
74.综上，通过上述实施例公开的直流母线控制方法，首先，可在测试系统正常运行过程中保持直流母线的稳定性，减小母线电压控制纹波，从而提高对直流母线的控制精度，可使得控制精度在0.1％以内，达到工业级的高精度。其次，测试系统工作时，在功率输出从0至满载时，直流母线具有微小的波动与冲击，从而快速收敛至电压给定值，无超调现象，加快动态响应。再者，相较于传统双环控制策略的调整响应滞后性，影响控制精度，上述控制方法可以解决增加前馈量引起的响应滞后效应，提升直流母线控制实时性。而且，该控制方法还解决了由于电网不确定畸变造成的直流母线功率波动与高频振荡型波动，有效提升直流母线电压稳态控制精度。另外，在实新上述效果的前提下，该控制方法还避免了增加大电流直流互感器的使用，节省成本。
75.请再次参阅图5，本发明另一较佳实施例中，还公开一种直流母线控制系统，其包括逆变器10、若干直流电压转换器11、驱动电路12、反馈单元f1、第一前馈单元f2以及信号处理单元。逆变器10通过直流母线分别与若干直流电压转换器11电性连接，每一直流电压转换器11分别用于与一电池组电性连接；驱动电路12用于实时控制逆变器10的工作状态。
76.反馈单元f1，用于实时采集直流母线两端的电压，以获得母线电压，并以母线电压作为采样值，通过变换计算生成反馈信号。
77.第一前馈单元f2，包括直流电流运算模块14和非线性扩张状态观测器13，直流电流运算模块14用于采集逆变器10和供电电网之间的逆变电压和逆变电流，并根据功率守恒原理和母线电压计算输出母线电流，非线性扩张状态观测器13用于对母线电流进行预测处理，以得到第一前馈信号。
78.信号处理单元，用于对反馈信号和第一前馈信号进行处理，以生成用于加载到驱
动电路12以控制逆变器10运行的驱动调节信号。
79.进一步地，上述控制系统还包括第二前馈单元f3和第三前馈单元f4。
80.第二前馈单元f3，用于对逆变电流进行变换处理，以获得提供给信号处理单元的第二前馈信号；
81.第三前馈单元f4，用于对逆变电压进行变换和预测处理，以获得提供给信号处理单元的第三前馈信号。
82.更进一步地，反馈单元f1，包括电压比较模块m0和电压环控制器pi1。所述信号处理单元包括第一信号处理模块d1、第二信号处理模块d2以及第三信号处理模块d3。反馈单元f1通过第一信号处理模块d1与第一前馈单元f2连接，电压比较模块m0用于将母线电压与参考电压进行比较，并将差值送入电压环控制器pi1，电压环控制器pi1用于根据电压比较模块m0反馈的差值生成作为反馈信号的第一电流环给定值，第一信号处理模块d1用于将反馈信号和第一前馈信号相加而生成第二电流环给定值。
83.第二前馈单元f3，包括三相电流运算模块15，三相电流运算模块15通过第二信号处理模块d2与第一信号处理模块d1连接，三相电流运算模块15用于根据逆变电流计算供电电网的并作为第二前馈信号的电流分量。
84.第二信号处理模块d2，用于对第二电流环给定值和电路分量做差处理。
85.第三前馈单元f4，包括三相电压运算模块16和电网电压扰动预测模块17，三相电压运算模块16用于根据逆变电压计算供电电网的电压分量，电网电压扰动预测模块17用于根据电压分量进行预测处理，以输出作为第三前馈信号的前馈电压。
86.电网电压扰动预测模块17依次通过第三信号处理模块d3和电流环控制器pi2与第二信号处理模块d2连接；电流环控制器pi2用于根据第二信号处理模块d2输出的结果生成特征电压，第三信号处理模块d3用于将前馈电压和特征电源累加计算，以生成驱动调节信号；
87.直流母线控制系统还包括pwm计算模块，pwm计算模块用于根据驱动调节信号计算生成可供驱动电路12使用得到pwm波驱动信号。
88.另外，上述控制系统还包括设置在逆变器10和供电电网之间的大功率隔离变压器t0，以及设置在直流电压转换器11和动力电池组之间的滤波器c0。
89.在此需要说明的是，本实施例中的控制系统的工作原理和工作过程详见上述控制方法，在此不再赘述。
90.以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。