一种多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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宄人员的大量关注。
[0003] 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一超级电 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。
[0004] 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。
[0005] 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 (interconnectionanddampingassignmentpassivity-basedcontrol,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】
[0006] 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。
[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008] 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：
[0009] 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；
[0010] 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；
[0011] 3)建立混合系统的哈密顿模型；
[0012] 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。
[0013] 所述混合系统的状态空间模型为：
[0014] X = f(x,d) + g(x)u
[0015] 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。
[0016] 所述混合系统的工作模式包括：
[0017]工作模式1:燃料电池的额定功率大于负载功率，即PF&ated> PM并且超级电容的 SOC > SOC-;
[0018] 工作模式2 :燃料电池的额定功率大于负载功率，即PF&ated>PM并且超级电容的 SOC<S0C-;
[0019] 工作模式3 :燃料电池的额定功率小于负载功率，即PF&ated<PM并且超级电容的 SOC>SOCmin;
[0020] 工作模式4 :燃料电池的额定功率小于负载功率，即PF&ated<PM并且超级电容的 SOC<SOCmin;
[0021] 其中，PF&^为燃料电池额定功率，PA负载功率；S(K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。
[0022] 所述混合系统的哈密顿模型为：
【主权项】
1. 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，其特征在于，所述设计方法包括W下步 骤： 1. W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。
2. 根据权利要求1所述的多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法，其特征 在于，所述混合系统的状态空间模型为： x = f(x,d) + g{x)ii 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。
3. 根据权利要求1所述的多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法，其特征 在于，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P L，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P L，并且超级电容的S0C < SOCmax; 工作模式3 ;燃料电池的额定功率小于负载功率，即P L，并且超级电容的S0C > SOCm化； 工作模式4 ;燃料电池的额定功率小于负载功率，即P L，并且超级电容的S0C < SOCm化； 其中，Ppcrated为燃料电池额定功率，P巧负载功率；S0C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，SOCmi。为超级电容允许的最小荷电状态。
4. 根据权利要求2所述的多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法，其特征 在于，所述混合系统的哈密顿模型为： <7/(一、-) 丈=[/(X，則-巧(巧一-+ g(x)u dx 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 阻巧，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。
5. 根据权利要求4所述的多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法，其特征 在于，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% 40リ根据J(x，d)、R(x)、H(x)、g(x)和平衡状态xH受计函数Ja(x)，Ra(x)、Mx)和向 量函数K(x)，使下式成立：
且满足W下条件： a) 结构守恒：
b) 可积性，K(x)为标量函数的梯度：
C)在平衡点处，K(x)满足：
d)李雅普洛夫稳定性，即在处，K(x)满足：
其中，Ja(X)、Rg(X)分别表示向系统增加的互联矩阵、阻巧矩阵；Hd(x)为闭环系统的能 量函数；0 (X) = d，为功率控制器的控制律。
6.根据权利要求1或2所述的多工作模式的新能源混合系统功率控制器设计方法， 其特征在于，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。
【专利摘要】本发明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，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。与现有技术相比，本发明能够根据混合系统当前的工作模式，控制燃料电池和超级电容，合理分配燃料电池和超级电容出力，使系统稳定在当前工作模式下的平衡状态，具有快速响应负载的用电需求、实现闭环系统渐进稳定等优点。
【IPC分类】H02J3-46, H02M3-155
【公开号】CN104600982
【申请号】CN201510005868
【发明人】杨帆, 盛波, 符杨
【申请人】上海电力学院
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月6日