一种可持续恒功率供电的新能源电源装置及其控制方法与流程

本发明涉及一种新能源电源装置，特别涉及一种可持续恒功率供电的新能源电源装置，还涉及上述新能源电源装置的控制方法。

背景技术：

能源危机与环境污染是21世纪最重要的话题，解决人类能源问题以及人类赖以生存的环境污染问题是21世纪最重要的社会发展目标。综合国际发展来看，新能源，如太阳能、风能受到气象条件的限制，必须与储能技术结合。然而，目前的储能技术成本高昂，难以大规模实现储电或者储热。一种有效的方法就是多能互补，将太阳能与生物质能源有效的结合，构成能源互补系统，可有效减小储能系统的容量。然而，太阳能是随机变化的，仅仅具有一定的互补性，要达到稳定的能源输出，还需要与其它的能源再次耦合。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种可持续恒功率供电的新能源电源装置，该新能源电源装置不仅能够可持续恒功率的对负载供电，而且实现了能源互补，达到了稳定的能源输出，实现了对负载供电的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种可持续恒功率供电的新能源电源装置，包括新能源电池组、可逆锂电池组和模糊控制系统，其中，新能源电池组和可逆锂电池组并联后均与负载连接；可逆锂电池组通过无线电能装置向模糊控制系统供电；可逆锂电池组通过无线通信方式与模糊控制系统进行通信。

其中，所述可逆锂电池组包括锂电池组，锂电池组并联晶体管m1并串联晶体管m2后向负载供电；可逆锂电池组还包括控制单元，所述控制单元包括无线数据接收装置和功率放大模块；无线数据接收装置与模糊控制系统进行无线通信并与功率放大模块的信号输入端连接，功率放大模块的信号输出端分别连接晶体管m1和晶体管m2的受控端。

其中，所述模糊控制系统包括用于进行模糊计算并输出控制信号的模糊控制器、功率传感器和无线通信装置；功率传感器的采样端分别对负载的吸收功率、新能源电池组的输出功率以及可逆锂电池组的输出功率进行采样；模糊控制器的信号采集端连接功率传感器的采样信号输出端，信号输出端连接无线通信装置，通过无线通信装置与无线数据接收装置通信。

其中，所述新能源电池组包括并联的生物电池组和太阳能电池组，所述生物电池组和太阳能电池组的正极分别串联有用于防止反向充电的大功率二极管。

模糊控制器k通过功率传感器p实时采集负载的吸收功率、新能源电池组的输出功率和可逆锂电池组的输出功率，并进行模糊运算，将运算后的控制指令通过无线数据发送装置x1发送给可逆锂电池组；可逆锂电池组通过无线数据接收装置x2接收无线控制信号后分别通过功率放大模块gl1和功率放大模块gl2对晶体管m1和晶体管m2的开断进行控制，实现对锂电池组e输出功率的控制，从而实现对负载持续恒功率供电。

本发明模糊控制方法具体的模糊算法为：

步骤一、确定输入输出变量：

模糊控制器的输入一为负载给定功率p与实际负载功率p的误差f＝p′-p，论域值为f：

模糊控制器的输入二为误差f的变化率df/dt，论域值为q；

模糊控制器的输出为占空比控制信号u，论域值为u；

if-6＜＝u＜-4，则输出的占空比变化量δd＝-2.5％；

if-4＜＝u＜-2，则输出的占空比变化量δd＝-0.5％；

if-2＜＝u＜0，则输出的占空比变化量δd＝-0.1％；

ifu＝0，则输出的占空比变化量δd＝0；

if0＜u＜＝2，则输出的占空比变化量δd＝0.1％；

if2＜u＜＝4，则输出的占空比变化量δd＝0.5％；

if4＜u＜＝6，则输出的占空比变化量δd＝2.5％；

则模糊控制器输出的占空比信号为u＝d+δd，d为上一次的输出占空比信号；

步骤二、输入输出变量论域和量化因子：

误差f的基本论域设计为(-120kw，+120kw)，经过归一化处理：

其中，ae为误差f的基本论域的左边，be为误差f的基本论域的右边，xe为误差f的基本论域中的变量，x′e是误差f的基本论域归一化后的标准论域；

将(-120kw，+120kw)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量f，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)；

进一步选定语言变量e的论域为：

x＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(6)；

则得到误差f的量化因子ke＝6/120＝0.05；

设计再论域x上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ1为论域x的隶属度函数的宽度，c1为论域x的隶属度函数的中心，μ1(x)表示论域x的隶属度函数；

进一步建立语言变量e的赋值表；

误差f的变化率df/dt的基本论域设计为(-10kw/s，+10kw/s)；

经过归一化处理：

其中，aec为误差f的变化率df/dt的基本论域的左边，bec为误差f的变化率df/dt的基本论域的右边，xec为误差f的变化率df/dt的基本论域中的变量，x′ec是误差f的变化率df/dt的基本论域归一化后的标准论域；

将(-10kw/s，+10kw/s)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量ec，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)；

进一步选定语言变量ec的论域为：

y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(9)；

则得到误差变化率的量化因子kec＝6/10＝0.6；

设计再论域y上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ2为论域y的隶属度函数的宽度，c2为论域y的隶属度函数的中心，μ2(x)表示论域y的隶属度函数；

进一步建立语言变量ec的赋值表；

输出变量u基本论域设计为(-2.5％，2.5％)；

经过归一化处理：

其中，au为误差u的基本论域的左边，bu为误差u的基本论域的右边，xu为误差u的基本论域中的变量，x′u，是误差u的基本论域归一化后的标准论域；

将(20％，80％)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量u，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)；

进一步选定语言变量u的论域为：

z＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(12)；

则得到输出变量的量化因子ku＝6/(2.5％)＝240；

设计在论域z上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ3为论域z的隶属度函数的宽度，c3为论域z的隶属度函数的中心，μ3(x)表示论域z的隶属度函数；

进一步建立语言变量u的赋值表；

步骤三、模糊控制规则的设计：

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者中时，选择控制量大或者中且以误差为主；当误差校小时且超调量大或者中，选择控制量中且以超调量为主；当误差校小时且超调量校小，选择控制量校小且以超调量为主；当误差小时，选择控制量小；

步骤四、解模糊：

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。

相比于现有技术，本发明技术方案具有的有益效果为：

本发明新能源电源装置采用模糊控制算法，能够可持续的恒功率给负载供电，而且还实现了能源互补，达到了稳定的能源输出，实现了对负载供电的稳定性。

附图说明

图1为本发明可持续恒功率供电的新能源电源装置的系统结构原理图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。

如图1所示，本发明可持续恒功率供电的新能源电源装置，包括新能源电池组1、可逆锂电池组2和模糊控制系统4，其中，新能源电池组1和可逆锂电池组2并联后均与负载3连接；可逆锂电池组2通过无线电能装置向模糊控制系统4供电；可逆锂电池组2通过无线通信方式与模糊控制系统4进行通信。

其中，可逆锂电池组2包括锂电池组e，锂电池组e并联晶体管m1并串联晶体管m2后向负载供电；可逆锂电池组2还包括控制单元，控制单元包括无线数据接收装置x2和功率放大模块；无线数据接收装置x2与模糊控制系统4进行无线通信并与功率放大模块的信号输入端连接，功率放大模块的信号输出端分别连接晶体管m1和晶体管m2的受控端。

其中，模糊控制系统4包括用于进行模糊计算并输出控制信号的模糊控制器k、功率传感器p和无线通信装置；功率传感器p的采样端分别对负载2的吸收功率、新能源电池组1的输出功率以及可逆锂电池组2的输出功率进行采样；模糊控制器k的信号采集端连接功率传感器p的采样信号输出端，模糊控制器k信号输出端连接无线通信装置，通过无线通信装置与可逆锂电池组2的无线数据接收装置x2通信。

其中，新能源电池组1包括并联的生物电池组s1和太阳能电池组s2，生物电池组s1和太阳能电池组s2的正极分别串联有用于防止反向充电的大功率二极管。

本发明可持续恒功率供电的新能源电源装置的工作过程为：

新能源电池组1和可逆锂电池组2并联同时向负载3供电，模糊控制系统4可控制可逆锂电池组2的输出功率，从而保证在新能源电池组1输出功率变化的情况下补偿向负载3的功率输出，保证输出功率的稳定。模糊控制系统4通过其中的无线电能接收装置n2接收可逆锂电池组2的供电，为其内部的功能模块供电；其中模糊控制器k通过功率传感器p采集负载3的吸收功率、新能源电池组1的输出功率以及可逆锂电池组2的输出功率，并进行模糊运算，将运算后的控制指令通过无线数据发送装置x1发送给可逆锂电池组2。可逆锂电池组2包括用于供电的锂电池组e和控制单元；控制单元接收模糊控制系统4发送的控制指令后通过pwm信号的形式控制晶体管m1和晶体管m2的通断，从而控制锂电池组e的输出功率，控制单元中的无线数据接收装置x2接收无线控制信号后分别通过功率放大模块gll和功率放大模块gl2对晶体管m1和晶体管m2进行控制，其中，无线数据接收装置x2与功率放大模块gl2之间还串联有光耦隔离模块g和非门f，实现pwm信号的反向。隔离dcdc模块为非门f单独供电。可逆锂电池组2通过内部的无线电能发送装置向无线电能接收装置供电。

锂电池组e给隔离dcdc模块、无线电能发送装置n1、无线数据接收装置x2和功率放大模块gl1供电；隔离dcdc模块给非门f和功率放大模块gl2供电；l1通过无线电能发送装置n1和无线电能接收装置n2将电能无线发送给l2；功率传感器p采集负载3的吸收功率、新能源电池组1的输出功率和可逆锂电池组2的输出功率后将功率数据发送给模糊控制器k；模糊控制器k将占空比数据发送给无线数据发送装置x1；w1将无线数据发送装置x1的占空比数据无线发送给w2；无线数据接收装置x2将从w2得到的占空比数据转化成pwm波发送给功率放大模块gl1和光耦隔离模块g；非门f将光耦隔离模块g发送过来的pwm波取反之后传给功率放大模块gl2；功率放大模块gl1的l0端口与晶体管m1的g级相连，功率放大模块gl1的com端口与晶体管m1的s级相连；功率放大模块gl2的h0端口与晶体管m2的g级相连，功率放大模块gl2的vs端口与晶体管m2的s级相连；l0端口与com端口之间、h0端口与vs端口之间分别输出相对取反的pwm波，分别驱动晶体管m1、晶体管m2来控制晶体管m1、晶体管m2的通断。

设定新能源电池组1从右向左为输出功率p1，可逆锂电池组2吸收功率为p2，负载3从左向右为输出功率p3为正，若负载3的功率传输从右向左则p3为负。模糊控制器k输出的pwm占空比越大，p3越大。

模糊控制器k的模糊控制步骤为：

步骤一、确定输入输出变量

模糊控制器的输入一为负载给定功率p与实际负载功率p的误差f＝p′-p，论域值为f；

模糊控制器的输入二为误差f的变化率df/dt，论域值为q；

模糊控制器的输出为占空比控制信号u，论域值为u；

if-6＜＝u＜-4，则输出的占空比变化量δd＝-2.5％；

if-4＜＝u＜-2，则输出的占空比变化量δd＝-0.5％；

if-2＜＝u＜0，则输出的占空比变化量δd＝-0.1％；

ifu＝0，则输出的占空比变化量δd＝0；

if0＜u＜＝2，则输出的占空比变化量δd＝0.1％；

if2＜u＜＝4，则输出的占空比变化量δd＝0.5％；

if4＜u＜＝6，则输出的占空比变化量δd＝2.5％；

则模糊控制器输出的占空比信号为u＝d+δd，d为上一次的输出占空比信号。

步骤二、输入输出变量论域和量化因子

误差f的基本论域设计为(-120kw，+120kw)，经过归一化处理：

其中，ae为误差f的基本论域的左边，be为误差f的基本论域的右边，xe为误差f的基本论域中的变量，x′e是误差f的基本论域归一化后的标准论域；

将(-120kw，+120kw)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量f，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)；

进一步选定语言变量e的论域为：

x＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(6)；

则得到误差f的量化因子ke＝6/120＝0.05；

设计再论域x上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ1为论域x的隶属度函数的宽度，c1为论域x的隶属度函数的中心，μ1(x)表示论域x的隶属度函数；

进一步建立语言变量e的赋值表；

表1

误差f的变化率df/dt的基本论域设计为(-10kw/s，+10kw/s)。

经过归一化处理：

其中，aec为误差f的变化率df/dt的基本论域的左边，bec为误差f的变化率df/dt的基本论域的右边，xec为误差f的变化率df/dt的基本论域中的变量，x′ec是误差f的变化率df/dt的基本论域归一化后的标准论域。

将(-10kw/s，+10kw/s)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量ec，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)。

进一步选定语言变量ec的论域为：

y＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(9)；

则得到误差变化率的量化因子kec＝6/10＝0.6。

设计再论域y上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ2为论域y的隶属度函数的宽度，c2为论域y的隶属度函数的中心，μ2(x)表示论域y的隶属度函数。

进一步建立语言变量ec的赋值表；

表2

输出变量u基本论域设计为(-2.5％，2.5％)。

经过归一化处理：

其中，au为误差u的基本论域的左边，bu为误差u的基本论域的右边，xu为误差u的基本论域中的变量，x′u是误差u的基本论域归一化后的标准论域。

将(20％，80％)的连续变量转化为(-6，+6)之间的连续变化量，然后将这个变化量分为7个语言变量u，即正大(pb)、正中(pm)、正小(ps)、零(zo)、负小(ns)、负中(nm)、负大(nb)。

进一步选定语言变量u的论域为：

z＝{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，+1，+2，+3，+4，+5，+6}(12)；

则得到输出变量的量化因子ku＝6/(2.5％)＝240。

设计在论域z上用以描述模糊子集的隶属函数为正态函数，即：

其中，σ3为论域z的隶属度函数的宽度，c3为论域z的隶属度函数的中心，μ3(x)表示论域z的隶属度函数。

进一步建立语言变量u的赋值表；

表3

步骤三、模糊控制规则的设计

设计模糊控制规则的原则是当误差大或者中时，选择控制量大或者中且以误差为主；当误差校小时且超调量大或者中，选择控制量中且以超调量为主；当误差校小时且超调量校小，选择控制量校小且以超调量为主；当误差小时，选择控制量小；

模糊控制规则表如下：

表4

根据表4用以下几个模糊控制语句来举例进一步说明模糊控制规则：

(1)：iffisnbthenuisnb(即如果f是负大，则u是负大)；

(2)：iffisnmthenuisnm(即如果f是负中，则u是负中)；

(3)：iffisnsanddf/dtisnbornmthenuisnm(即如果f是负小，且df/dt是负大或负中，则u是负中)；

(4)：iffisnsanddf/dtisnsthenuisns(即如果f是负小，且df/dt是负小则u是负小)；

(5)：iffiszothenuiszo(即如果f是零，则u是零)；

步骤四、解模糊

解模糊采用最大隶属度方法进行解模糊。例如解出u的论域值为y＝-3，则根据-4＜＝y＜-2得出输出的占空比变化量δd＝-0.5％；如若上一次模糊控制器输出的占空比d＝50％，则模糊控制器的占空比信号最终输出为u＝d+δd＝49.5％。