[发明专利]一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法，利用模型预测控制的多目标优化的特点，同时对三相整流桥和DC/DC变换器进行控制。采用有限集方法设计目标优化函数，结合不同能流耦合的约束条件，建立整体的控制模型，采用模型预测控制方法可实现多目标优化控制，对于含有储能装置的供电系统，采用主动的能量管理方式，可实现多电飞机的能量优化分配。从而实现直流母线电压稳定。模型根据电机能量回馈情况，对双向DC‑DC变换器进行升降压控制，通过电池组充放电，实现直流母线功率的稳定。采用功率缓冲变换器的功率拓扑；通过蓄电池对于直流母线功率的补偿和吸收，可有效地减少飞机的重量。

技术领域

本发明涉及多电飞机电气系统中带能量回馈电机和恒功率负载的功率缓冲变换器稳压及能量存储控制方法。

背景技术

近些年来，随着多电、全电飞机的提出，分布式配电技术在未来多电、全电飞机等独立电源系统中有着广泛的应用。而有资料显示，在未来多电、全电飞机的高压直流配电系统中恒功率负载可占总负载的80％。恒功率负载在系统中所占的比例越来越大，其带来的问题也就日益突出。

对于恒功率负载，尽管它的瞬时阻抗是正的但是其相应的阻抗增量却是负的恒功率负载的这种特性被称为负阻抗特性。这种特性的特点表现在，当电压v上升的时候，会导致电流i的下降，但电流i下降又会进一步导致电压v的上升；同理，当电压下降的时候，也会导致电流的不断上升。由于恒功率负载的负阻抗特性对独立电力系统的直流母线电压稳定性存在潜在威胁，所以独立电力系统的直流母线电压稳定控制方法的分析是非常重要的。

电推进飞机作为未来飞机重要的发展，其电力系统中采用了多涵道风扇电机作为驱动能量来源，在飞行过程中产生的能量回馈对电网冲击很大。如果没有及时对能量进行处理，就会导致母线电压的抬升，而且随着母线电压的抬升会触发恒功率负载的负阻抗特性，从而进一步威胁了直流母线电压的稳定。在应对能量回馈问题上，目前为止在飞机电气系统规范中，并不允许能量回馈到母线上，所有具有能量再生的电机驱动都采用大电阻器来耗散掉。而这种耗散的方法除了增加了大电阻器之外，还需要外加相应的冷却设备来进行降温。在电推进飞机上，由于涵道风扇的数量需求较多，这种耗散方式所带来的飞机重量上的增加以及效率上的降低是不可接受的。美国机动车工程师学会在2014年的“AerospaceInformation Report”上汇报了飞机的能量回馈问题，并呼吁广大的科研工作者们探索该问题。在文献“Power Buffer with model predictive control for stability ofvehicular power system with constant power loads”(IEEE Transactions on PowerElectronics,2013，12,5804)提出了一种应用于汽车电力系统的带电池的功率缓冲器的拓扑，能通过模型预测控制的二次规划求解，同时对三相整流器和双向DC/DC变换器进行控制，实现对直流母线功率的补偿或吸收，从而保证直流母线电压的稳定和减少能量的损耗。但是该算法对于模型的精确度要求较高，尤其是对负载的需求需要精确观测。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于模型预测控制的功率缓冲器设计方法。

本发明的思路是:充分利用模型预测控制的多目标优化的特点，同时对三相整流桥和DC/DC变换器进行控制，采用有限集方法设计目标优化函数，结合不同能流耦合的约束条件，建立整体的控制模型，从而实现直流母线电压稳定。模型根据电机能量回馈情况，对双向DC-DC变换器进行升降压控制，通过电池组充放电，实现直流母线功率的稳定。