專業(yè)英語(yǔ)論文

1、光伏/電池混合電源互連阻尼分配和歐拉-拉格朗日無(wú)源控制的獨(dú)立應(yīng)用程序Ali TOFIGHI，Mohsen KALANTARE-mail: tofighi, kalantariust.ac.ir摘要:直流混合電源由光伏電池作為主要電源,鋰電池存儲(chǔ)的電源作為二次電源,電力電子接口,是基于端口受控哈密頓系統(tǒng)和歐拉-拉格朗日框架模擬的。隨后,無(wú)源控制器合成。局部漸近穩(wěn)定性也要確定。此外,電源管理系統(tǒng)是用來(lái)管理組件間的功率流的。建模和仿真所提出的混合電源是通過(guò)使用MATLAB / Simulink。我們的興趣集中在兩個(gè)無(wú)源控制方法和他們?cè)诨旌蟿?dòng)力系統(tǒng)中使用的比較上。關(guān)鍵詞:直流混合動(dòng)力電源,歐拉-拉格朗

2、日(EL)方程,互連和阻尼分配(IDA)、無(wú)源控制、光伏、鋰離子電池1 引言 由于本著環(huán)境友好的思想，可再生資源在電力發(fā)電中是需要的。在可再生能源中,太陽(yáng)能現(xiàn)在被廣泛使用,因?yàn)樗赓M(fèi)、豐富、無(wú)污染。 據(jù)估計(jì)，大約80%的所有光伏(PV)系統(tǒng)是用于獨(dú)立的應(yīng)用程序。此外,光伏系統(tǒng)的生產(chǎn)力取決于天氣狀況。例如,多云時(shí)期，在晚上，一個(gè)光伏系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生任何電力。因此,混合電力來(lái)源介紹如何充分的利用太陽(yáng)能。電池是一個(gè)二次源存儲(chǔ)太陽(yáng)能，用于在混合系統(tǒng)約束下需要的時(shí)候。電力電子轉(zhuǎn)換器在混合動(dòng)力系統(tǒng)中扮演了一個(gè)重要的角色。這些是由分布來(lái)源及其他零部件的混合系統(tǒng)之間連接的。最近,一些研究者則關(guān)注于混合電力源的控制

3、?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)方法分為兩類：線性和非線性。線性方法是依賴局部線性化模型執(zhí)行的。因此,他們的執(zhí)行在任何平衡點(diǎn)的變化下是不會(huì)保持不變的。這個(gè)比例-積分(PI)控制器是一個(gè)被用于DG的應(yīng)用程序的主要的線性控制器。電力電子轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)方程由于乘法非線性性質(zhì)的狀態(tài)變量的控制輸入具有非線性的性質(zhì)。因此,非線性方法如魯棒,反饋線性化，滑動(dòng)模式,無(wú)源控制用于控制轉(zhuǎn)換器。特別是，一個(gè)無(wú)源控制(PBC)方法納入考慮在各種工業(yè)應(yīng)用。 PCB由奧爾特加作為一個(gè)控制器的設(shè)計(jì)方法來(lái)介紹的，由鈍化實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性。兩個(gè)PBC理論被發(fā)展開(kāi)來(lái)：歐拉-拉格朗日(EL)PBC和互聯(lián)阻尼分配(IDA)PBC。這些方法主要用于控制感應(yīng)電動(dòng)

4、機(jī)和開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器。 Lee利用歐拉-拉格朗日PCB控制三相交流/直流電壓源轉(zhuǎn)換器。同樣,一個(gè)單相脈寬調(diào)制(PWM)電流源逆變器控制與應(yīng)用IDA-PBG已被Komurcugi實(shí)施。一個(gè)燃料電池/超級(jí)電容混合動(dòng)力系統(tǒng)的控制實(shí)現(xiàn)基于IDA-PBC。Becherif使用IDA-PBC對(duì)太陽(yáng)能系統(tǒng)和電池進(jìn)行能源管理。本文集中在端口受控哈密頓形式和拉格朗日的光伏/電池獨(dú)立混合電源的建模。光伏系統(tǒng)是主要的動(dòng)力來(lái)源。無(wú)論光伏電池何時(shí)發(fā)電,再考慮天氣狀況的條件下，都小于負(fù)載功率,電池存儲(chǔ)作為一個(gè)備用電源。無(wú)論每次生成的電是否超過(guò)負(fù)載功率這個(gè)轉(zhuǎn)儲(chǔ)負(fù)載消耗多余的電力的光伏，電池不需要充電?？刂菩盘?hào)是通過(guò)PBC實(shí)現(xiàn)

5、的。功率流在混合系統(tǒng)組件之間在電源管理單元中管理的。2提出的系統(tǒng)描述 提出的混合電源如圖1所示。這個(gè)電源由一個(gè)光伏系統(tǒng)，鋰離子儲(chǔ)能電池,直流/直流轉(zhuǎn)換器,和負(fù)載組成的。 圖1結(jié)構(gòu)的提出混合直流電源PBC無(wú)源控制;PV:光伏2.1太陽(yáng)能系統(tǒng)太陽(yáng)能電池是一個(gè)光伏系統(tǒng)的基本組成部分，它將太陽(yáng)能進(jìn)入轉(zhuǎn)換為電能。太陽(yáng)能電池由一個(gè)p-n結(jié)耦合半導(dǎo)體材料構(gòu)成。一個(gè)光伏面板包含一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池串聯(lián)或并聯(lián)組合來(lái)提供所需的電壓和電流。一個(gè)光伏陣列由許多盤連接在串聯(lián)或并聯(lián)組合。等效電路的太陽(yáng)能電池描述如圖2。圖2太陽(yáng)能電池等效電路電路主要由電流源I(L)(其幅度取決于輻照度和溫度)， 一個(gè)二極管D和內(nèi)部并聯(lián)和串

6、聯(lián)電阻Rs。太陽(yáng)能電池的V-I特點(diǎn)是高度非線性,由以下方程給出：（1）VPV和IPV是太陽(yáng)能電池電壓和電流，I0是二極管反向飽和電流，q是電子電荷,A是p-n結(jié)的理想因子，K是波爾茲曼常數(shù)，T是電池溫度。 電能由光伏組件釋放，這些組件依賴于太陽(yáng)輻照度、電池溫度、系統(tǒng)元件的效率等等。因此，在不同條件下能得到最大量的電能是必要的。電能最大化通常的方法來(lái)自光伏陣列在不同大氣條件下使用最大功率點(diǎn)跟蹤器(MPPT)算法，提供了一個(gè)參考電壓或電流為直流/直流轉(zhuǎn)換器。幾種技巧MPPT已經(jīng)在前面介紹了。 在這項(xiàng)研究中，最大的能量是來(lái)自光伏陣列實(shí)現(xiàn)的擾動(dòng)和觀察(P&O)方法。2.2鋰離子電池模型 存儲(chǔ)設(shè)

7、備是用于儲(chǔ)存混合動(dòng)力電源的能量。電池以電化學(xué)形式存儲(chǔ)能量。鋰離子電池優(yōu)于其他類型的電池,因?yàn)樗麄冇泻芨叩哪芰棵芏?、高工作電壓水平和長(zhǎng)循環(huán)壽命。 在本節(jié)中,鋰離子的動(dòng)力學(xué)模型以電池用于仿真程序來(lái)介紹。陳和林康莫拉(2006)提出了一個(gè)準(zhǔn)確的鋰電池模型，精確預(yù)測(cè)電池運(yùn)行時(shí)電流-電壓性能。上述模型的鋰電池被描如圖3。鋰電池電路模型 該模型由兩個(gè)獨(dú)立的電路組成，這兩個(gè)電路是由壓控電壓源和一個(gè)電流控制電流源連接而成。電池的運(yùn)行狀態(tài)和充電狀態(tài)(SOC)使用左側(cè)的電路來(lái)計(jì)算。等值內(nèi)部阻抗模擬電池的內(nèi)部電阻和瞬態(tài)行為。因此,Rser負(fù)責(zé)電池電壓的降落，組件的RC網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)短期和長(zhǎng)期在電池內(nèi)部的瞬態(tài)阻抗。元素的內(nèi)

8、部等值阻抗是一個(gè)SOC的函數(shù),可以表示為：2.3直流/直流轉(zhuǎn)換器 直流輸出電壓振幅的PV系統(tǒng)依賴于太陽(yáng)輻照度送到光伏陣列。因此，提高直流/直流轉(zhuǎn)換器是用來(lái)調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)的輸出電壓的。同樣，一個(gè)雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器是用來(lái)控制電池存儲(chǔ)的充電和放電。boost直流/直流轉(zhuǎn)換器如圖4：圖4提高直流/直流轉(zhuǎn)換器:（a）單向;(b)雙向3端口受控的哈密頓模型 端口受控哈密頓(PCH)系統(tǒng)是由Dalsmo和范德Schaft(1998)為集總參數(shù)獨(dú)立存儲(chǔ)元素的物理網(wǎng)絡(luò)建模介紹的。 考慮到非線性系統(tǒng)，給出如下公式： 其中xRn是狀態(tài)向量,f(x)和g(x)是李普希茨函數(shù),uRm是控制輸入。方程（3）的PCH形式是

9、：是能源(或哈密頓)函數(shù)， 是互連結(jié)構(gòu)矩陣，是耗散矩陣。 這個(gè)能量平衡、無(wú)源、穩(wěn)定性的PCH系統(tǒng)被Ortega描述。同時(shí)，為解決鈍化問(wèn)題他們提出了IDA-PBC方法。3.1 IDA-PB控制器設(shè)計(jì) 主要的IDA-PBC想法是想通過(guò)改變優(yōu)化的互連和耗散矩陣得到想要的閉環(huán)能量函數(shù)。因此，一個(gè)PCH系統(tǒng)考慮目標(biāo)動(dòng)態(tài)給出以下形式：是一個(gè)新的能量函數(shù)，這有一個(gè)嚴(yán)格的局部最小值的平衡xd，和分別是互連和阻尼矩陣。偏微分方程(PDE)和選擇矩陣與和一個(gè)矢量函數(shù)可由以下方程滿足：由此：（i）(結(jié)構(gòu)保留)（ii）（可積性）是一個(gè)標(biāo)量函數(shù)的梯度：（iii）(均衡分配) 當(dāng)x=xd時(shí)(iv)（Lyapunov穩(wěn)定性

10、）4歐拉-拉格朗日模型的混合電源在之前的章節(jié)中，一個(gè)合適的直流/直流轉(zhuǎn)換器和其他組件模型已經(jīng)提出了。在本節(jié)中，他們的EL描述將會(huì)給出。系統(tǒng)的拉格朗日是感應(yīng)元素的磁同能量,用和電場(chǎng)能源的電容性元素表示，也可表示為,也就是,其中是電荷，是流動(dòng)電流?？紤]到電路約束，EL建模方程為：其中是拉格朗日乘數(shù)，是Rayleigh損耗函數(shù)，是合力函數(shù)。 混合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2-4，我們得到如下方程： RO和LO分別是負(fù)載電阻和電感。約束方程由基爾霍夫電流定律給出，這暗示著A（q）不依賴于電荷q,這是一個(gè)n*c的常數(shù)矩陣，其中c是約束數(shù)量。因此,，約束矩陣是 還有?？紤]到方程式（12）和（17），損耗方程擴(kuò)展為一系

11、列的微分方程：在對(duì)方程組（18）-（22）直接計(jì)算之后，由方程組（13）（17）所給的損耗參數(shù)，得到如下?lián)p耗模型方程組:從（26）與（27）中可知，濾波電容電壓是相等的。因此， 在狀態(tài)方程中的結(jié)果如下：上述方程組由矩陣表示為：M是一個(gè)正定對(duì)角矩陣，T是互連矩陣，R是耗散矩陣，E是電壓源組成的向量。這個(gè)總能量函數(shù)是：滿足能量平衡方程：說(shuō)明總合儲(chǔ)存能量和耗散能量的和等于提供的能量。這個(gè)混合系統(tǒng)控制的目標(biāo)是一個(gè)電壓輸出的直流量，它與提高直流/直流轉(zhuǎn)換器相當(dāng)于直流母線的恒定電壓。將帶入動(dòng)態(tài)方程組（28）-（30）中，則平衡矢量可表示為：其中表示閉環(huán)系統(tǒng)的恒定平衡點(diǎn)。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，Z3d的恒值是Vd/R

12、，由方程式（28），（29），（31）可得給出和合適的值就可以得到其他變量的值。5摘要控制器設(shè)計(jì)在提出的獨(dú)立混合系統(tǒng)中，無(wú)論P(yáng)V系統(tǒng)在何時(shí)發(fā)電，主要目的是讓負(fù)載所需的能量全來(lái)自PV系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的直流/直流轉(zhuǎn)換器用來(lái)維持母線電壓為恒值。電池存儲(chǔ)為確保在負(fù)載耗能大于系統(tǒng)提供的能量時(shí)負(fù)載仍然能正常運(yùn)行。在這種情況下，直流母線電壓在電池的直流/直流轉(zhuǎn)換器維持下保持了恒值。5.1 IDA-PBC在圖4中升壓轉(zhuǎn)換器的動(dòng)態(tài)模型中，狀態(tài)方程為：其中u是連續(xù)的輸出信號(hào)，它表示在直流/直流轉(zhuǎn)換器的占空比，正數(shù)C，L,R0,r和E0分別為電容，電感，負(fù)載電阻，電壓源的等效電阻。升壓轉(zhuǎn)換器的PCH模型為：其中x1

13、是電感的磁通，x2是電容電荷同樣，H（x）是系統(tǒng)總?cè)萘枯敵鲭娙蓦妷旱钠胶恻c(diǎn)很顯然不是常數(shù)，依賴于，因此取決于負(fù)載電阻?？紤]到阻尼矩陣：設(shè)，化解，定義則是x2的函數(shù)，方程（8）簡(jiǎn)化為：由分離變量法得到：定義，控制器為：其中c1是賦值平衡狀態(tài)方程（9）的常數(shù)：由此可得：，因此，IDA-PB控制器為：5.2 EL-PB設(shè)計(jì)誤差矢量矩陣為：誤差動(dòng)態(tài)方程為：兩邊分別加上，動(dòng)態(tài)阻尼衰減為：考慮以下誤差損耗矩陣：其中假設(shè)（51）右端為0，得：考慮總能量：，得：由（50）和（53）得：上述方程可擴(kuò)展為以下微分方程：由（56），得：同樣，考慮到（56），（59），簡(jiǎn)單計(jì)算后，其中：6 電源管理系統(tǒng)在提出的混合D

14、C電源，PV系統(tǒng)和電池存儲(chǔ)為負(fù)載提供能量，因此，電源管理系統(tǒng)需要控制PV系統(tǒng)，電池存儲(chǔ)和負(fù)載的電流。PMS是在一定策略下運(yùn)行的，在這項(xiàng)研究中，策略如下：1. PV系統(tǒng)是為負(fù)載提供能量的主要電源；2. 電池存儲(chǔ)是在PV系統(tǒng)無(wú)法發(fā)電情況下的二次電源；3. 當(dāng)負(fù)載消耗低于PV系統(tǒng)所產(chǎn)生的電量時(shí)，電池處于充電狀態(tài)；根據(jù)以上策略，PMS算法如圖5：電源管理系統(tǒng)的流程圖7 仿真結(jié)果和討論這項(xiàng)研究是解決Hamiltonian端口控制，EL結(jié)構(gòu)模型和獨(dú)立光伏電池混合電源的PBC。MATLAB/Simulink環(huán)境用來(lái)仿真光伏電池混合電源系統(tǒng)的PBC模型。鋰離子電池,非線性模型的直流/直流變換器和雙向DC /

15、DC變換器，表1顯示了規(guī)格的光伏系統(tǒng),它包括兩個(gè)模塊的組合：并聯(lián)和串聯(lián)四個(gè)模塊。規(guī)范鋰離子儲(chǔ)能電池的表2中給出。這個(gè)直流/直流轉(zhuǎn)換器規(guī)格表3給出。圖6模型模型:(一)無(wú)源歐拉-拉格朗日和提高變換器;(b)連接和阻尼分配無(wú)源控制參數(shù) 值參數(shù) 值最大功率（W） 85MPP電壓(V) 17.8MPP電流(A) 4.8短路電流(A) 5.1開(kāi)路電壓（V） 22.2組件效率 13.1%串聯(lián)元件 4并聯(lián)元件 2表1參數(shù) 值容量（毫安*小時(shí)） 850名義電壓 （V） 3.7最大充電電壓（V） 4.23串聯(lián)元件數(shù) 11并聯(lián)數(shù) 8 表2參數(shù) 值參數(shù) 值Lpv(mh) 23.2Cpv(uF) 330Rpv(歐姆)

16、 0.03電池電感（Mh） 100電池電容（uF） 87電池電阻（歐） 0.07表3圖77.1 第一種情況負(fù)載電阻差異發(fā)生在2.5，4.5,6.5s三個(gè)階段。負(fù)載電壓和電流如圖8，圖9表明PV系統(tǒng)電壓和電流，這些都有P&O MPPT算法得出。圖8.負(fù)載電壓電流的變化圖9.PV系統(tǒng)最大輸出量時(shí)的電壓電流電池存儲(chǔ)電壓和電流在太陽(yáng)輻照度和負(fù)載電阻條件下如圖10，電池電壓電流基于EL-PBC比基于IDA-PBC由更小的超調(diào)量。圖10c描述了電池的SOC充電放電狀態(tài)，在這種情況下原來(lái)電池存儲(chǔ)SOC是70%。因此，電池的放電階段是6.5到8.5，另外，負(fù)載超過(guò)PV系統(tǒng)產(chǎn)電情況如圖11.圖10圖11

17、PV系統(tǒng)的直流/直流轉(zhuǎn)換器的控制和電池存儲(chǔ)如圖12.在這種情況下，基于EL-PBC的混合電源比基于IDA-PBC具有更低的超調(diào)量圖127.2 第二種情況在第二種情況下，電池初始為85%，超出了PMS定義的范圍，換句話說(shuō)，這不是最安全的充電模式。圖13描述了電池電壓和電流基于兩種PB類型的控制器。由圖13a和13b可知，電池存儲(chǔ)負(fù)載時(shí)有波動(dòng)，在圖13c，插入了電池在放電情況下6.5到8.5之間的階段。圖13根據(jù)電池存儲(chǔ)限制，無(wú)論何時(shí)PV系統(tǒng)發(fā)電超出負(fù)載，負(fù)載從PV系統(tǒng)所消耗的電能是可變的，它的值由PMS策略具體表現(xiàn)澡0.2到6.5內(nèi)。圖148 結(jié)論一個(gè)獨(dú)立混合光伏電源和電力電子接口基于端口控制的Hamiltonian 系統(tǒng)和Euler-Lagrange構(gòu)架已經(jīng)建模，根據(jù)建模方法設(shè)計(jì)出PB控制器，PV