一种超级电容储能式城轨车辆充电控制装置及方法

摘要

本发明公开了一种超级电容储能式城轨车辆充电控制装置及方法，控制装置包括与电源连接的变压器，所述变压器连接有两个并联的BUCK支路，所述两个BUCK支路接入城轨车辆的一个超级电容组；所述BUCK支路包括与所述变压器连接的整流桥模块、滤波电容模块、续流二极管支路；所述整流器模块与所述滤波电容模块之间接有开关器件；两个BUCK支路的续流二极管支路一端通过各通过一个储能电感接入城轨车辆的一个超级电容组；整流桥模块接入控制模块，所述控制模块控制所述开关器件的开断；所述控制模块与储能电感输出端连接。本发明的充电控制装置结构简单，控制可靠；本发明的方法使得超级电容充电电流控制稳定，纹波系数小，降低了充电故障。

主权项

一种控制超级电容储能式城轨车辆充电的方法，采用超级电容储能式城轨车辆充电控制装置，该装置包括与电源连接的变压器，所述变压器连接有两个并联的BUCK支路，所述两个并联的BUCK支路均接入城轨车辆的一个超级电容组；所述两个并联的BUCK支路均包括与所述变压器连接的整流桥模块、与所述整流桥模块并联的滤波电容模块、与所述滤波电容模块并联的续流二极管支路、所述整流桥模块与所述滤波电容模块之间并联接有开关器件；两个并联的BUCK支路的续流二极管支路一端均通过一个储能电感接入城轨车辆的一个超级电容组；所述两个并联的BUCK支路的整流桥模块通过电压传感器接入控制模块，所述控制模块控制所述两个并联的BUCK支路的开关器件的开断；所述控制模块通过电流传感器与所述两个并联的BUCK支路的储能电感输出端均连接；所述开关器件为IGBT；其特征在于，该方法包括以下步骤：1)建立以下目标函数模型：其中，ε(k+p|k)为k时刻估计的k+p时刻的ε值，ε(k+p|k)＝[i_l1(k+p|k)‑i_ref(k+p|k),i_l2(k+p|k)‑i_ref(k+p|k),Δi_diff(k+p|k)]^T；i_l1(k+p|k)，i_l2(k+p|k)分别为k时刻估计的k+p时刻第一BUCK支路、第二BUCK支路的储能电感电流，i_l1(k+p|k)＝C₁x(k+p|k),i_l2(k+p|k)＝C₂x(k+p|k)；$x(k+p|k)={\Phi }^{p}x\left(k\right)+\underset{n=1}{\overset{p}{\Sigma }}{\Phi }^{n-1}\Psi D(k+p-n),C_1=\left[\begin{array}{cccc}1& 0& 0& 0\end{array}\right],C_2=\left[\begin{array}{cccc}0& 1& 0& 0\end{array}\right];$x(k+p|k)为k时刻估计的k+p时刻的状态量，D(k+p‑n)为k+p‑n时刻的预测输出序列；i_ref(k+p|k)为k时刻估计的两个BUCK支路的第k+p时刻的总参考输出电流，i_ref(k+p)＝i(k)+[I_set‑i(k)](1‑e^‑pT/τ)；p＝1,2；P＝2；I_set＝900A；i(k)为k时刻两条BUCK支路的总参考输出电流；T＝1ms；τ代表总参考输出电流的时间常数；Δi_diff(k+p|k)＝|i_l1(k+p|k)‑i_l2(k+p|k)|‑i_l,diff,ref，i_l,diff,ref＝30A；权重矩阵Q＝diag(q₁,q₂,q₃)，q₁＝q₂＝2,q₃＝1；s.t.表示约束条件；d_m(k)为k时刻第m个BUCK支路的占空比；v_s为电源电压，为储能电感的电流额定值；i_l,m(k)表示第m个BUCK支路的开关器件由阻断恢复到开通时刻的储能电感电流；为第m个BUCK支路的储能电感值；u_c(k)为k时刻的超级电容组电压；x(k)为k时刻的状态量；x(k)＝[i_l1(k) i_l2(k) v(k) u_c(k)]^T，u_c(k)、v(k)分别为k时刻一个超级电容组电压及由电压传感器测得的一个超级电容组的电压变化率；D(k)＝[d₁(k),d₂(k)]^T；i_l1(k)，i_l2(k)分别为k时刻第一BUCK支路、第二BUCK支路的储能电感电流；d₁(k)、d₁(k+1)分别为k时刻、k+1时刻第1个BUCK支路的占空比；d₂(k)、d₂(k+1)分别为k时刻、k+1时刻第2个BUCK支路的占空比；2)优化上述目标函数模型，得到优化后的目标函数模型$J_1=\left[\begin{array}{c}{q}_1\left({\Psi }_{11}{d}_1\right(k)-(i_{ref}\left(k+1\right)-{\Phi }_{1}x\left(k\right)\left)\right)\\ q_2\left({\Psi }_{21}{d}_2\right(k)-(i_{ref}\left(k+1\right)-{\Phi }_{2}x\left(k\right)\left)\right)\\ q_3\left(\right|{\Phi }_{1}x\left(k\right)-{\Phi }_{2}x\left(k\right)+\left({\Psi }_{11}{d}_1\left(k\right)-{\Psi }_{21}{d}_2\left(k\right)\right)|-i_{l,diff,ref})\end{array}\right];$$J_2=\left[\begin{array}{c}{q}_1\left({\Psi }_{11}{d}_1\right(k+1)+{\Phi }_1{\Psi }_{11}{d}_1(k)-(i_{ref}\left(k+2\right)-{{\Phi }_1}^{2}x\left(k\right)\left)\right)\\ q_2\left({\Psi }_{21}{d}_2\right(k+1)+{\Phi }_2{\Psi }_{21}{d}_2(k)-(i_{ref}\left(k+2\right)-{{\Phi }_2}^{2}x\left(k\right)\left)\right)\\ q_3\left(\right|\left({\Phi }_1^2-{\Phi }_2^2\right)x\left(k\right)+{\Psi }_{11}\left({\Phi }_1{d}_1\left(k\right)+d_1\left(k+1\right)\right)-{\Psi }_{21}\left({\Phi }_2{d}_2\left(k\right)+d_2\left(k+1\right)\right)|-i_{l,diff,ref})\end{array}\right];$其中，Ψ₁₁、Ψ₂₁分别为输入矩阵Ψ的第1行第1个元素和第2行第1个元素；Φ₁、Φ₂分别为系统矩阵Φ的第1行向量和第2行向量；$\Psi ={\left[\begin{array}{cccc}0.1995& -0.0004& -0.0037& 0\\ -0.0004& 0.1995& -0.0037& 0\end{array}\right]}^T;$$\Phi =\left[\begin{array}{cccc}0.9952& -0.0044& -0.0001& -0.1991\\ -0.0044& 0.9952& -0.0001& -0.1991\\ 0.0010& 0.0010& 1.0000& -0.0078\\ 0& 0& 0.0010& 1.0000\end{array}\right];$3)将优化后的目标函数模型代入步骤1)中的目标函数模型中，利用内点法求解目标函数模型，得到D(k)的控制估计序列，即D(k+p‑n)在不同p值下得到的序列，取所述控制估计序列的第一行，即得到k时刻的最优占空比输入，从而控制两个并联的BUCK支路输出期望电流。