一種基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)控制技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于無源性理論的直流微網(wǎng) 功率分配控制器設(shè)計方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 直流微網(wǎng)中的分布式能源按輸出功率調(diào)節(jié)特性可分為間歇性電源和連續(xù)性電源 兩類。間歇性電源的輸出功率受天氣等自然條件的影響較大，出力具有明顯的波動性和間 歇性，這給微網(wǎng)的穩(wěn)定運行帶來了較大挑戰(zhàn)。為保證可再生能源的最大利用率，間歇性電源 采用最大功率跟蹤控制方式（MaximumPowerPointTracking,MPPT)，不參與微網(wǎng)系統(tǒng)的 功率調(diào)節(jié)。而連續(xù)性電源如燃料電池具有相對可靠的一次能源供給能力和連續(xù)出力調(diào)節(jié)能 力，因此結(jié)合燃料電池實現(xiàn)微網(wǎng)中的功率平衡調(diào)節(jié)，將大大降低間歇式分布式電源對電網(wǎng) 的隨機影響，增強功率調(diào)節(jié)的可控性。但燃料電池連續(xù)性電源調(diào)節(jié)速度較慢，為滿足本地用 戶的不同用電需求和微網(wǎng)運行狀態(tài)的無縫平滑轉(zhuǎn)換，須配合超級電容以保證微網(wǎng)在各種運 行狀態(tài)的可靠供電。功率分配控制的對象主要為具有連續(xù)出力調(diào)節(jié)能力的燃料電池和具有 快速充放電能力的超級電容。由于含有燃料電池和超級電容的直流微網(wǎng)具有多種運行模式 以及使用大量電力電子裝置等特點，其必然具有強烈的非線性且容易出現(xiàn)系統(tǒng)的不穩(wěn)定， 因此應(yīng)用非線性方法設(shè)計直流微網(wǎng)的功率分配器是十分必要的。
[0003] 無源性理論作為一種非線性方法，是從系統(tǒng)的能量角度出發(fā)，可實現(xiàn)系統(tǒng)的漸 進穩(wěn)定，且對系統(tǒng)的參數(shù)攝動和外界擾動具有較強的魯棒性，互聯(lián)與阻尼配置無源控制 (interconnectionanddampingassignmentpassivity-basedcontrol,IDA-PBC)是其中 一種新型無源性理論，本發(fā)明基于該無源性理論提出了一種新的直流微網(wǎng)功率分配控制器 設(shè)計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種能夠提高能源 利用率，增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法。
[0005] 本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：
[0006] 一種基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，所述功率分配控制器 用于控制燃料電池和超級電容的輸出功率，所述燃料電池和超級電容分別連接有各自的控 制電路，所述設(shè)計方法包括以下步驟：
[0007] 1)建立燃料電池數(shù)學模型；
[0008] 2)以控制電路的電感電流和電容電壓為系統(tǒng)狀態(tài)變量，建立直流微網(wǎng)的狀態(tài)空間 模型；
[0009] 3)建立直流微網(wǎng)的哈密頓模型；
[0010] 4)根據(jù)所述哈密頓模型采用IDA-PBC方法獲得功率分配控制器的控制律。
[0011] 所述燃料電池數(shù)學模型為：
【主權(quán)項】
1. 一種基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，所述功率分配控制器用 于控制燃料電池和超級電容的輸出功率，所述燃料電池和超級電容分別連接有各自的控制 電路，其特征在于，所述設(shè)計方法包括以下步驟： 1) 建立燃料電池數(shù)學模型； 2) 以控制電路的電感電流和電容電壓為系統(tǒng)狀態(tài)變量，建立直流微網(wǎng)的狀態(tài)空間模 型； 3) 建立直流微網(wǎng)的哈密頓模型； 4) 根據(jù)所述哈密頓模型采用IDA-PBC方法獲得功率分配控制器的控制律。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，其特 征在于，所述燃料電池數(shù)學模型為：
式中：^為燃料電池輸出電壓，E。為燃料電池開路電壓，iFC為燃料電池電流；in為內(nèi)部 電流，是交換電流，iUm為限制電流，Rm為膜電阻，A塔菲爾斜率，B是質(zhì)量轉(zhuǎn)移常數(shù)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，其特 征在于，所述直流微網(wǎng)的狀態(tài)空間模型為：
式中為系統(tǒng)狀態(tài)變量，u為系統(tǒng)輸入信號，d為控制電路的占空比信號，f(x，d)和g(x)相應(yīng)維數(shù)的矩陣函數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，其特 征在于，所述直流微網(wǎng)的哈密頓模型為：
式中：J(x，d)為反對稱矩陣，反映了系統(tǒng)各狀態(tài)變量之間的互聯(lián)特性，且滿足J(x，d) = -JT(x，d)，JT(x，d)為J(x，d)的轉(zhuǎn)置矩陣；R(x)彡0為對稱半正定矩陣，表征系統(tǒng)的自然 阻尼，且滿足R(x) =RT(x)，RT(x)為R(x)的轉(zhuǎn)置矩陣；H(x)為系統(tǒng)的自然能量函數(shù)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，其特 征在于，所述步驟4)具體為： 401) 獲得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時，各系統(tǒng)狀態(tài)變量的平衡點x% 402) 根據(jù)J(x，d)、R(X)、H(X)、g(x)和平衡點 ^設(shè)計函數(shù)Ja(x)，Ra(x)、Mx)和向量 函數(shù)K(x)，使下式成立：
且滿足以下條件： a)結(jié)構(gòu)守恒：
b) 可積性，K(x)為標量函數(shù)的梯度：
c) 在平衡點f處，K(x)滿足：
d) 李雅普洛夫穩(wěn)定性，即在f處，K(x)滿足：
其中，Ja(x)、Ra(x)分別表示向系統(tǒng)增加的互聯(lián)矩陣、阻尼矩陣；Hd(x)為閉環(huán)系統(tǒng)的能 量函數(shù)；0 (x) =d，為功率分配控制器的控制律。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法， 其特征在于，所述控制電路包括Boost電路和雙向DC-DC變換器電路，所述燃料電池通過 Boost電路與直流母線連接，所述超級電容通過雙向DC-DC變換器電路與直流母線連接。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于無源性理論的直流微網(wǎng)功率分配控制器設(shè)計方法，包括以下步驟：1)建立燃料電池數(shù)學模型；2)以控制電路的電感電流和電容電壓為系統(tǒng)狀態(tài)變量，建立直流微網(wǎng)的狀態(tài)空間模型；3)建立直流微網(wǎng)的哈密頓模型；4)根據(jù)所述哈密頓模型采用IDA-PBC方法獲得功率分配控制器的控制律。當負載功率變化時，功率分配控制器控制燃料電池和超級電容的輸出功率，使燃料電池輸出平穩(wěn)變化的功率、使超級電容為負載提供峰值暫態(tài)功率，滿足負載功率需求且穩(wěn)定直流母線電壓。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的控制器不僅能夠使直流微網(wǎng)閉環(huán)系統(tǒng)漸進穩(wěn)定，而且提高了能源的利用率。
【IPC分類】H02J7-34
【公開號】CN104578367
【申請?zhí)枴緾N201510005919
【發(fā)明人】楊帆, 盛波, 符楊
【申請人】上海電力學院
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2015年1月6日