基于一致性算法的级联H桥直流变换器研究

黄从胜 程志江 陈星志

摘  要： 针对多个H桥的接入和接出，造成各路变流器不均流均压问题，提出群系统一致性策略对群H桥模块进行协同控制。考虑H桥通信拓扑和信息交互权值以及H桥模块接入和接出系统等情况，分析了系统稳定特性，然后将所有H桥一致性信息与电压电流双闭环控制策略相结合，实现了群H桥电流状态快速一致和电压的稳定。通过Matlab/Simulink仿真结果表明，所提出的控制方案能有效地实现群H桥变流器的电流一致和电压稳定，提高系统的鲁棒性，对大规模的混合储能接入微电网有一定的理论意义。

关键词： H桥直流变换器; 一致性算法; 混合储能; 双闭环控制; 协同控制; 仿真分析

中图分类号： TN624?34; TM76                    文献标识码： A                      文章编号： 1004?373X（2020）06?0005?04

Research on cascaded H bridge DC/DC converter based on consistency algorithm

HUANG Congsheng， CHENG Zhijiang， CHEN Xingzhi

（College of Electrical Engineering， Xinjiang University， Urumqi 830047， China）

Abstract： In allusion to the problem of various converters′ uneven current and voltage sharing caused by the I/O connection of multiple H bridges， a cluster system consistency strategy is proposed for the cooperative control of cluster H bridge modules. In consideration of the H bridge communication topology， information exchange weights， the I/O connection of the H bridge module and so on， the stability characteristics of the system are analyzed， and then all the H bridge consistency information is combined with the voltage and current double closed?loop control strategy， so as to realize the fast consistency of current state and the voltage stability of cluster H bridges. The simulation results obtained by Matlab/Simulink show that the proposed control scheme can effectively achieve the current consistency and the voltage stability of the cluster H bridge converters， and improve the robustness of the system. It has a certain theoretical significance for the large?scale hybrid energy storage access to microgrid.

Keywords： H bridge DC/DC converter; consistency algorithm; hybrid energy storage; double closed?loop control; cooperative control; simulation analysis

0  引  言

随着能源危机与环境问题受重视程度日益增加，微电网作为风电、光伏利用的一种重要形式，已成为研究热点。微电网的运行效果与逆变器的控制直接相关，在研究储能系统等微电网中的问题时，必须有适合的逆变器控制策略。为有效解决新能源发电存在的间歇性、不确定性、波动性问题，微电网系统中必须配置一定的储能装置[1]。储能系统应用在微电网中具有独特的双向调节作用，主要是它可以作为发电单元和负荷单元，提升了可再生能源接入大电网的并网比例。储能并网装置的选取也影响储能系统接入大电网的比例，储能装置通过级联H桥可以形成高压输出满足电网的容量和电压等级的需求，同时储能单元基于级联H桥可以采用分布式的方式，易于储能系统的扩容。

目前有文献对级联H桥直流变换器用作储能并网装置进行了研究。文献[2]提出了一种交错和同步并联控制方式，解决了母线电压的稳定以及各路电流的一致，使系统的输出一致;文献[3]提出基于正负序电流解耦的控制方式，解决了级联H桥变流器的直流母线电压平衡等问题;文献[4]通过推导整流器的调制比增量与输出电压之间的关系式，然后通过反馈的直流电压重新配置调制比，以调节各路直流电压，使之达到平衡;文献[5]提出一种在相间注入零序和负序电压的补偿方式，解决了电压电流平衡问题;文献[6]通过对开关管进行数学建模分析来研究H桥直流变换器。这些研究提高了系统的鲁棒性和效率，但是对H桥模块的均流均压控制研究主要集中在平均电流法、电压电流双闭环法、开关数学函数建模和控制补偿等。这些控制方法都有自己的优缺点，对大规模的电池接入和接出不能进行有效的控制。

本文将超级电容和铅酸蓄电池构成混合储能系统，同时采用交直流复合母线[7]。分布式储能单元通过级联H桥接入直流母线，将储能装置和H桥当作一个智能体单元。智能体单元之间通过特定的通信协议与相邻智能体之间进行信息交换来满足系统的动态变化，使系统的电压和电流稳定，提高了微电网系统的整体稳定性，利于新能源的大规模应用和消纳能力。

1  级联H桥储能系统结构

H桥的直流侧为电池储能单元，采用分布式的配置方式，每一路多个H桥模块级联输出，开关器件可以选择MOSFET或IGBT，如图1所示。这种拓扑结构可以实现高电压等级的输出和提高开关频率，并网时产生的谐波很小，同时电池能量管理系统容易设计和储能系统便于扩容等优点。因此，级联H桥拓扑结构可以构建大容量和高电压等级储能系统。

2  群H桥控制策略设计

2.1  分布式H桥一致性双闭环控制系统

由于H桥可以形成高压输出，要保证每个H桥直流侧储能单元电压稳定，以及整个微电网的稳定运行，同时考虑级联H桥的特点，采用群系统一致性算法，拓扑结构如图2所示。

图2中，系统采用双环控制方案，即电压外环、电流内环都采用PI控制。将采样的直流母线电压[vDC]与参考电压[U*]比较，经过电压积分环节得到电流参考值[i*]。将采集的各支路电流[iL1，iL2，iL3]经一致性算法与参考电流i*比较，经电流积分环节得到占空比d，最后通过控制占空比来控制各个开关管的开和关，最终保证微电网的直流母线电压[vDC]稳定和H桥输出电流状态一致。

双闭环方案的表达式为：

式中：[kiv，kpv]分别为电压PI的系数;[kic，kpc]分别为电流PI的系数。

2.2  基于MAS一致性理论的群H桥变流器控制协议

在含H桥的分布式储能系统结构中，将电池单元和H桥考虑成一个智能体，智能体之间通过通信协议与相邻智能体交互信息;再利用基于MAS的协调控制方案来控制变量达到预先设定值[8];然后利用一致性算法通过设定的相邻智能体间的边权来达到群系统的数据信息交互，以此到达分布式单元的状态一致或输出一致。一致性算法模型如图3所示。

本文考虑的是离散形式的一致性算法，则群系统一致性算法的表达形式为：

式中：[xi]为iLi的状态;aij为变流器间的连接状态，aij=[110]表示有/无连接;Ni为邻接矩阵，即变流器i对应的所有邻近节点集合;[ε]为边权。

从系统的角度看，为保证电流输出一致，迭代算法的向量形式可以表示为：

式中：[x（k）=iL1k，iL2k，…，iLikT];W是通信网络的权矩阵。

如果考虑通信网络的边权，则W可以被改写成：

式中，L被称为通信网络的拉普拉斯矩阵[9?10]。

一致性算法的最终迭代结果[Xeq]为：

式中：1是所有元素全为1的向量;x（0）是电流采集初始值构成的向量。

3  仿真与分析

在Simulink下搭建以级联数目N=2的H桥直流变换器分析，采用环状网络方式进行信息交换。为了保证通信算法的稳定性和快速收敛性，必须保证正确的边权[ε]和合适的谱半径[ρ]，根据式（7）选择合适的边权值[11]：

式中，[λi（L）]是对称矩阵的最大特征值。

根据图3的一致性算法模型，选择合适的拉普拉斯矩阵L和边权[ε]。分布式智能体单元的初始值x（0）=[19，15，12，8，5，1]，仿真结果如图4所示。

根据图4的仿真结果可知，不同的边权值对应不同的收敛速度，当[ε=16]时，系统具有最小的谱半径和最快的收敛速度。

根据以上分析，在保证系统输出一致，选择合适的系统仿真参数，如表1所示。

直流母线的电压和变流器的电流波形如图5所示。

由图5可知，分布式储能单元向电网充电，每个变流器均分得到电流，微电网直流母线电压保持在150 V。0.3 s时，加入负载，微电网直流母线电压下降，储能单元需要放电，则总电流增加，每个变流器电流增加到25 A，同时微电网直流母线电压下降0.5 V，但是在很短时间内恢复到150 V。0.6 s时，负载退出，总电流减小，每个变流器电流又回到原来值，微电网直流母线电压上升0.5 V，但是在很短时间内恢复到150 V。增加和减少负载，电流的变化趋势和电压一样，主要是储能系统的加入，微电网直流母线电压基本保持不变，但是由于储能系统需要一定的响应时间，所以电压出现一些细小的波动。

当其中一个变换器突然出现故障导致原来的通信拓扑改变，变换器的电流波形如图6所示。在0.5 s时，系统中一个变换器出现故障，导致原来的通信拓扑发生改变，并且在同时增加负载情况下，直流微电网依旧稳定运行，此时变流器电流达到75 A，此后电流一直稳定在75 A，系统正常运行。

级联H桥储能直流变换器拓扑结构中a，b，c三条支路是相互独立的，采用一致性算法和平均电流控制算法，仿真结果如图7、图8所示。

从图7和图8可以看出，不同算法下变换器输出电流波形出现不同。图7中，变换器输出电流波形基本一致，误差都在规定的范围内。图8中，电流的输出出现偏差，这是由于H桥变换器输出電阻的影响。通过上面的分析可知，一致性算法可以更好地解决变换器输出电流的一致性。

4  结  论

通过以上的仿真结果，可以看出，搭建含级联H桥直流变换器的微电网在采用群系统一致性算法下，有以下优点：

1） 智能体之间通过通信协议与相邻智能体交互信息并通过选择合适的边权来提高群智能体单元的收敛速度。

2） 在一致性算法下，各变换器输出的电流一致，电压状态稳定。

3） 在智能体单元接入和退出情况下，群系统一致性算法结合双环控制方法使各个H桥变换器输出保持状态一致，提高了微电网系统的鲁棒性和稳定运行，对大规模的混合储能接入微电网有一定的理论意义。

参考文献

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