一种基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及电力系统控制技术领域，尤其是涉及一种基于无源性理论的直流微网 功率分配控制器设计方法。
【背景技术】
[0002] 直流微网中的分布式能源按输出功率调节特性可分为间歇性电源和连续性电源 两类。间歇性电源的输出功率受天气等自然条件的影响较大，出力具有明显的波动性和间 歇性，这给微网的稳定运行带来了较大挑战。为保证可再生能源的最大利用率，间歇性电源 采用最大功率跟踪控制方式（MaximumPowerPointTracking,MPPT)，不参与微网系统的 功率调节。而连续性电源如燃料电池具有相对可靠的一次能源供给能力和连续出力调节能 力，因此结合燃料电池实现微网中的功率平衡调节，将大大降低间歇式分布式电源对电网 的随机影响，增强功率调节的可控性。但燃料电池连续性电源调节速度较慢，为满足本地用 户的不同用电需求和微网运行状态的无缝平滑转换，须配合超级电容以保证微网在各种运 行状态的可靠供电。功率分配控制的对象主要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。由于含有燃料电池和超级电容的直流微网具有多种运行模式 以及使用大量电力电子装置等特点，其必然具有强烈的非线性且容易出现系统的不稳定， 因此应用非线性方法设计直流微网的功率分配器是十分必要的。
[0003] 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新的直流微网功率分配控制器 设计方法。
【发明内容】
[0004] 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提高能源 利用率，增强系统稳定性的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法。
[0005] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0006] 一种基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，所述功率分配控制器 用于控制燃料电池和超级电容的输出功率，所述燃料电池和超级电容分别连接有各自的控 制电路，所述设计方法包括以下步骤：
[0007] 1)建立燃料电池数学模型；
[0008] 2)以控制电路的电感电流和电容电压为系统状态变量，建立直流微网的状态空间 模型；
[0009] 3)建立直流微网的哈密顿模型；
[0010] 4)根据所述哈密顿模型采用IDA-PBC方法获得功率分配控制器的控制律。
[0011] 所述燃料电池数学模型为：
【主权项】
1. 一种基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，所述功率分配控制器用 于控制燃料电池和超级电容的输出功率，所述燃料电池和超级电容分别连接有各自的控制 电路，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤： 1) 建立燃料电池数学模型； 2) 以控制电路的电感电流和电容电压为系统状态变量，建立直流微网的状态空间模 型； 3) 建立直流微网的哈密顿模型； 4) 根据所述哈密顿模型采用IDA-PBC方法获得功率分配控制器的控制律。
2. 根据权利要求1所述的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，其特 征在于，所述燃料电池数学模型为：
式中：^为燃料电池输出电压，E。为燃料电池开路电压，iFC为燃料电池电流；in为内部 电流，是交换电流，iUm为限制电流，Rm为膜电阻，A塔菲尔斜率，B是质量转移常数。
3. 根据权利要求1所述的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，其特 征在于，所述直流微网的状态空间模型为：
式中为系统状态变量，u为系统输入信号，d为控制电路的占空比信号，f(x，d)和g(x)相应维数的矩阵函数。
4. 根据权利要求3所述的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，其特 征在于，所述直流微网的哈密顿模型为：
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)彡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。
5. 根据权利要求4所述的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，其特 征在于，所述步骤4)具体为： 401) 获得系统稳态时，各系统状态变量的平衡点x% 402) 根据J(x，d)、R(X)、H(X)、g(x)和平衡点 ^设计函数Ja(x)，Ra(x)、Mx)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f处，K(x)满足：
d) 李雅普洛夫稳定性，即在f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；0 (x) =d，为功率分配控制器的控制律。
6.根据权利要求1或3所述的基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法， 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】本发明涉及一种基于无源性理论的直流微网功率分配控制器设计方法，包括以下步骤：1)建立燃料电池数学模型；2)以控制电路的电感电流和电容电压为系统状态变量，建立直流微网的状态空间模型；3)建立直流微网的哈密顿模型；4)根据所述哈密顿模型采用IDA-PBC方法获得功率分配控制器的控制律。当负载功率变化时，功率分配控制器控制燃料电池和超级电容的输出功率，使燃料电池输出平稳变化的功率、使超级电容为负载提供峰值暂态功率，满足负载功率需求且稳定直流母线电压。与现有技术相比，本发明的控制器不仅能够使直流微网闭环系统渐进稳定，而且提高了能源的利用率。
【IPC分类】H02J7-34
【公开号】CN104578367
【申请号】CN201510005919
【发明人】杨帆, 盛波, 符杨
【申请人】上海电力学院
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月6日