法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2017-02-01
授权
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2015-05-27
实质审查的生效 IPC(主分类):H02M3/155 申请日:20150106
实质审查的生效
2015-05-06
公开
公开
技术领域
本发明涉及电力系统控制技术领域,尤其是涉及一种多工作模式的新能源混 合系统功率控制器设计方法。
背景技术
面对传统能源大量消耗与环境污染日益严重的双重压力,世界各国政府正积极 的发展新能源发电技术(光伏,风电,燃料电池,等)以实现能源的可持续发展。 目前,燃料电池因其高效、节能和清洁等优点受到了国内外研究人员的大量关注。
在燃料电池的燃料供应系统中包含一系列泵、管道、阀门等机械元件;受这些 装置反应速度的限制,导致燃料电池的动态响应较慢,使得燃料电池系统无法满足 脉动性负载的用电需求。为了改善这个不足,可在燃料电池系统中增加一个辅助储 能装置---超级电容,构成燃料电池和超级电容混合系统。超级电容的引入,能够充 分发挥燃料电池节能、环保的优势,并且可以提高系统的能源利用率。
功率控制器的控制对象为具有连续出力调节能力的燃料电池和具有快速充放 电能力的超级电容。由于燃料电池和超级电容混合系统具有多种工作模式,且含有 大量的电力电子器件;使得混合系统具有强烈的非线性特性且容易出现不稳定,因 此应用非线性方法设计混合系统的功率控制器是十分必要的。
无源性理论作为一种非线性方法,是从系统的能量角度出发,可实现系统的渐 进稳定,且对系统的参数摄动和外界扰动具有较强的鲁棒性,互联与阻尼配置无源 控制(interconnection and damping assignment passivity-based control,IDA-PBC)是 其中一种新型无源性理论,本发明基于该无源性理论提出了一种多工作模式的新能 源混合系统功率器设计方法。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够快速响 应负载的用电需求,实现闭环系统渐进稳定的多工作模式的新能源混合系统功率控 制器设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
一种多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法,所述功率控制器分别 通过控制电路控制燃料电池和超级电容的输出功率,所述设计方法包括以下步骤:
1)以控制电路中的电感磁链和电容电荷作为系统状态变量,建立混合系统的 状态空间模型;
2)获取混合系统的工作模式及在各工作模式下的平衡状态;
3)建立混合系统的哈密顿模型;
4)根据所述哈密顿模型及各工作模式下的平衡状态,采用IDA-PBC方法获得 各工作模式下的功率控制器的控制律。
所述混合系统的状态空间模型为:
式中:x为系统状态变量;u为系统外部输入信号,在燃料电池和超级电容混 合系统中,u即为燃料电池和超级电容的电压信号;d为控制电路的占空比信号; f(x,d)和g(x)是相应维数的矩阵函数。
所述混合系统的工作模式包括:
工作模式1:燃料电池的额定功率大于负载功率,即PFCrated>PL,并且超级电容 的SOC>SOCmax;
工作模式2:燃料电池的额定功率大于负载功率,即PFCrated>PL,并且超级电容 的SOC<SOCmax;
工作模式3:燃料电池的额定功率小于负载功率,即PFCrated<PL,并且超级电容 的SOC>SOCmin;
工作模式4:燃料电池的额定功率小于负载功率,即PFCrated<PL,并且超级电容 的SOC<SOCmin;
其中,PFCrated为燃料电池额定功率,PL为负载功率;SOC为超级电容的荷电状态, SOCmax为超级电容允许的最大荷电状态,SOCmin为超级电容允许的最小荷电状态。
所述混合系统的哈密顿模型为:
式中:J(x,d)为反对称矩阵,反映了系统各状态变量之间的互联特性,且满足 J(x,d)=-JT(x,d),JT(x,d)为J(x,d)的转置矩阵;R(x)≥0为对称半正定矩阵,表征系 统的自然阻尼,且满足R(x)=RT(x),RT(x)为R(x)的转置矩阵;H(x)为系统的自然能 量函数。
所述步骤4)具体为:
401)获得混合系统在各工作模式下的平衡状态x*;
402)根据J(x,d)、R(x)、H(x)、g(x)和平衡状态x*设计函数Ja(x),Ra(x)、β(x) 和向量函数K(x),使下式成立:
且满足以下条件:
a)结构守恒:
b)可积性,K(x)为标量函数的梯度:
c)在平衡点x*处,K(x)满足:
d)李雅普洛夫稳定性,即在x*处,K(x)满足:
其中,Ja(x)、Ra(x)分别表示向系统增加的互联矩阵、阻尼矩阵;Hd(x)为闭 环系统的能量函数;β(x)=d,为功率控制器的控制律。
所述控制电路包括Boost电路和双向DC-DC变换器电路,所述燃料电池通过 Boost电路与直流母线连接,所述超级电容通过双向DC-DC变换器电路与直流母 线连接。
与现有技术相比,本发明具有以下优点:
(1)本发明基于无源性理论设计混合系统功率控制器,能够分析混合系统当 前的工作模式,使系统稳定在当前工作模式下的平衡状态,合理的分配燃料电池和 超级电容的出力,快速响应负载的用电需求。
(2)本发明获得的功率控制器可实现闭环系统的渐进稳定,对系统参数摄动 以及外界扰动都具有较强的鲁棒性。
附图说明
图1为本发明功率控制器的结构原理示意图;
图2为实施例中混合系统的结构示意图;
图3为实施例中直流母线电压仿真波形示意图;
图4为实施例中燃料电池电压仿真波形示意图;
图5为实施例中燃料电池电流仿真波形示意图;
图6为实施例中超级电容电流仿真波形示意图;
图7为实施例中功率仿真波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程,但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。
如图1-图2所示,以燃料电池和超级电容分别通过Boost电路和双向DC-DC 变换器电流连接到直流母线上的混合系统为例,详细说明本发明所涉及功率控制器 的设计步骤。
1、建立混合系统的状态空间模型
以控制电路中的电感磁链和电容电荷作为系统状态变量,建立混合系统的状态 空间模型:
选取电感LFC的磁链LFCiFC、电容CDC的电荷CDCVDC、电感LSC的磁链LSCiSC和电感LL的磁链LL iL为混合系统的状态变量:
x=[x1 x2 x3 x4]T=[LFCiFC CDCVDC LSCiSC LLiL]T (1)
根据KCL、KVL定律,混合系统的状态空间方程为:
式中:d=[d1,d2]T;d1,d2分别为功率开关TFC和TSC的占空比信号。
2、获取混合系统的工作模式及在各工作模式下的平衡状态
为了避免超级电容的过度充放电,本实施例中,设定超级电容的SOCmax为0.75, 设定超级电容的SOCmin为0.35。混合系统的四种工作模式分别为:
工作模式1:燃料电池的额定功率大于负载功率,即PFCrated>PL,并且超级电容 的SOC>SOCmax;此模式下,超级电容的稳态电流为0A,燃料电池仅为负载供电。
工作模式2:燃料电池的额定功率大于负载功率,即PFCrated>PL,并且超级电容 的SOC<SOCmax;此模式下,燃料电池输出额定功率,为负载供电,同时为超级电 容充电。
工作模式3:燃料电池的额定功率小于负载功率,即PFCrated<PL,并且超级电容 的SOC>SOCmin;此模式下,燃料电池与超级电容共同为负载供电,超级电容放电。
工作模式4:燃料电池的额定功率小于负载功率,即PFCrated<PL,并且超级电容 的SOC<SOCmin;此模式下,超级电容的稳态电流为0A,燃料电池输出额定功率, 但无法提供负载所需全部功率。
当系统达到平衡状态时,直流母线电压VDC应等于其参考电压Vd;根据功率守 恒定律(忽略电力电子器件的损耗),可得四种工作模式下的系统平衡状态分别为:
工作模式1平衡状态:
工作模式2&3平衡状态:
工作模式4平衡状态:
式中:x*=[x*1 x*2 x*3 x*4]T为系统状态变量的平衡状态;IFCrated为燃料电池额定 电流;VSC为超级电容输出电压;VDC为直流母线电压;Vd为直流母线参考电压。
3、建立混合系统的哈密顿模型(PCH模型)
式中:J(x,d)为反对称矩阵,反映了系统各状态变量之间的互联特性,且满足 J(x,d)=-JT(x,d),JT(x,d)为J(x,d)的转置矩阵;R(x)≥0为对称半正定矩阵,表征系 统的自然阻尼,且满足R(x)=RT(x),RT(x)为R(x)的转置矩阵;H(x)为系统的自然能 量函数,其中,
R(x)=diag{0;0;0;RL} (7)
g(x)u=[VFC 0 VSC 0]T (9)
diag表示对角阵。
4、根据所述哈密顿模型及各工作模式下的平衡状态,采用IDA-PBC方法获得 各工作模式下的功率控制器的控制律。
1)闭环系统能量函数
为了使闭环系统在稳态时达到期望平衡状态,取系统的闭环能量函数Hd(x) 为:
2)采用自然互联和注入阻尼的方式设计功率控制器,即令:
Ja(x)=0
(11)
Ra(x)=diag{r1;r2;r3;0}
式中:r1≥0,r2≥0,r3≥0。
3)根据IDA-PBC方法,获得功率控制器的控制律:
根据J(x,d)、R(x)、H(x)、g(x)和平衡状态x*设计函数Ja(x),Ra(x)、β(x)和 向量函数K(x),使下式成立:
且满足以下条件:
a)结构守恒:
b)可积性,K(x)为标量函数的梯度:
c)在平衡点x*处,K(x)满足:
d)李雅普洛夫稳定性,即在x*处,K(x)满足:
其中,Ja(x)、Ra(x)分别表示向系统增加的互联矩阵、阻尼矩阵;Hd(x)为闭 环系统的能量函数;β(x)=d,为功率控制器的控制律,经计算,本实施例中,功 率控制器的控制律β(x)为:
此时,闭环系统的哈密顿模型为:
式中:
Rd(x)=diag{0;0;r3;RL} (20)
如图1所示,采用上述功率控制器时,以燃料电池的电压和电流信号、超级电 容的电压和电流信号、直流母线的电压信号、负载的电流信号等作为功率控制器的 输入信号,识别当前混合系统的工作模式,根据相应的控制律输出占空比信号,控 制燃料电池和超级电容的输出功率。图3-图7为本实施例实验过程获得的波形示 意图。
机译: 一种新能源的生产方法,一种用于生产新能源的发动机设备以及一种用于新能源的生产设备
机译: 功率控制器的设计方法,功率控制器及功率控制装置
机译: 功率控制器的设计方法,功率控制器和功率控制装置