[發明專利]一種光-儲-燃直流供電系統的能量管理分層控制方法

有效

• 申請號: 201810102805.5
• 申請日: 2018-02-01
• 公開（公告）號: CN108306339B
• 公開（公告）日: 2020-12-22
• 發明（設計）人: 薛花;王育飛;胡英俊;董丙偉
• 申請（專利權）人: 上海電力學院
• 主分類號: H02J3/46
• 分類號: H02J3/46;H02J7/34;H02J3/38;H02J3/24
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 趙志遠

本發明涉及一種光?儲?燃直流供電系統的能量管理分層控制方法，包括以下步驟：1)進行能量管理的上層控制設計：定義系統直流母線電容內的能量E_Bus為平滑輸出變量，直流母線電壓v_Bus為狀態變量，總載荷電流參考軌跡p_HPSoref為控制變量，設計非線性微分平滑控制器以及反饋控制律，用以實現直流母線電壓的穩定控制，同時獲取下層控制所需的總載荷電流參考軌跡；2)進行能量管理的下層控制設計：根據超級電容、蓄電池、燃料電池變流器構成的簡化動態系統，構建預測控制模型實現各電源間功率的合理分配。與現有技術相比，本發明具有分層控制、穩定裕寬、自由度大、結構簡單等優點。

技術領域

本發明涉及能量管理控制領域，尤其是涉及一種光-儲-燃直流供電系統的能量管理分層控制方法。

背景技術

光伏發電具有間歇性、隨機性的不足，燃料電池由于內部電化學和熱力學反應緩慢的原因難以快速響應光伏發電和電力負荷瞬變。為了進一步提升供電質量，結合超級電容和蓄電池，共同構成的光-儲-燃直流供電系統能夠平滑光伏輸出功率波動，同時提升供電可靠性。針對光伏\燃料電池\蓄電池\超級電容組成的光-儲-燃直流供電系統，實現各電源間的協調控制與能量最優分配是混合直流供電系統進一步推廣應用的關鍵所在。

現有能量管理方法應用于具有多電源特點的光-儲-燃直流供電系統時，難以同時實現快速動態響應和高穩定性、魯棒性。模型預測控制方法利用系統模型預測未來的控制輸入和對象響應，可根據給定性能要求滾動求解最優控制律，具有靈活的多輸入多輸出處理能力，結構簡單且動態響應性能優良。利用模型預測控制可以實現混合直流供電系統多電源間功率的合理分配。目前的研究工作中，通常結合線性PI控制器實現直流母線電壓平穩和系統協調控制。傳統的PI控制器通常基于特定工作點設計線性控制，當光伏出力大幅快速波動或系統參數發生攝動時，會出現難以保證控制系統性能的問題。與傳統PI控制方法不同，非線性微分平滑控制方法通過期望的平滑輸出軌跡對系統的狀態量和控制量進行完整描述，避免近似處理，直接補償非線性分量，結構簡單，并能對系統高頻未建模部分以及內外擾動進行抑制，穩定域寬，魯棒性強，近年來在變流器穩定控制方面取得了長足進展。然而，現有的非線性平滑可微方法在實現燃料電池和儲能單元穩定控制的同時，難以完成考慮儲能單元充放電速率限制下的多電源間功率優化分配任務。因此，亟需提出一種簡單、高效的控制架構與方法，能夠實現光-儲-燃直流供電系統多電源穩定運行的同時，考慮蓄電池、燃料電池實際運行中需要限制電流充放電速率的需求，實現多電源間的能量最優分配與管理。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種光-儲-燃直流供電系統的能量管理分層控制方法。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種光-儲-燃直流供電系統的能量管理分層控制方法，所述的直流供電系統由光伏電池、蓄電池、超級電容器、燃料電池、三相交錯雙向變流器及直流負載構成，所述的蓄電池和超級電容器通過三相交錯雙向變流器并聯接入直流母線，直流負載直接連接到直流母線上，該方法具體包括以下步驟：

1)進行能量管理的上層控制設計：

定義系統直流母線電容內的能量E_Bus為平滑輸出變量，直流母線電壓v_Bus為狀態變量，系統總載荷參考功率p_HPSoref為控制變量，設計非線性微分平滑控制器以及反饋控制律，用以實現直流母線電壓的穩定控制，同時獲取下層控制所需的總載荷電流參考軌跡；

2)進行能量管理的下層控制設計：

根據超級電容、蓄電池、燃料電池變流器構成的簡化動態系統，構建預測控制模型和性能指標函數，并采用動態規劃對性能指標函數進行多階段優化，同時采用滯環控制使各電源電流值快速跟蹤參考電流值，實現各電源間功率的合理分配。

所述的步驟1)中，非線性微分平滑控制器的表達式為：