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1、光伏/电池混合电源互连阻尼分配和欧拉-拉格朗日无源控制的独立应用程序Ali TOFIGHI，Mohsen KALANTARE-mail: tofighi, kalantariust.ac.ir摘要:直流混合电源由光伏电池作为主要电源,锂电池存储的电源作为二次电源,电力电子接口,是基于端口受控哈密顿系统和欧拉-拉格朗日框架模拟的。随后,无源控制器合成。局部渐近稳定性也要确定。此外,电源管理系统是用来管理组件间的功率流的。建模和仿真所提出的混合电源是通过使用MATLAB / Simulink。我们的兴趣集中在两个无源控制方法和他们在混合动力系统中使用的比较上。关键词:直流混合动力电源,欧拉-拉格朗

2、日(EL)方程,互连和阻尼分配(IDA)、无源控制、光伏、锂离子电池1 引言 由于本着环境友好的思想，可再生资源在电力发电中是需要的。在可再生能源中,太阳能现在被广泛使用,因为它免费、丰富、无污染。 据估计，大约80%的所有光伏(PV)系统是用于独立的应用程序。此外,光伏系统的生产力取决于天气状况。例如,多云时期，在晚上，一个光伏系统不会产生任何电力。因此,混合电力来源介绍如何充分的利用太阳能。电池是一个二次源存储太阳能，用于在混合系统约束下需要的时候。电力电子转换器在混合动力系统中扮演了一个重要的角色。这些是由分布来源及其他零部件的混合系统之间连接的。最近,一些研究者则关注于混合电力源的控制

3、。控制器的设计方法分为两类：线性和非线性。线性方法是依赖局部线性化模型执行的。因此,他们的执行在任何平衡点的变化下是不会保持不变的。这个比例-积分(PI)控制器是一个被用于DG的应用程序的主要的线性控制器。电力电子转换器的动态方程由于乘法非线性性质的状态变量的控制输入具有非线性的性质。因此,非线性方法如鲁棒,反馈线性化，滑动模式,无源控制用于控制转换器。特别是，一个无源控制(PBC)方法纳入考虑在各种工业应用。 PCB由奥尔特加作为一个控制器的设计方法来介绍的，由钝化实现了稳定性。两个PBC理论被发展开来：欧拉-拉格朗日(EL)PBC和互联阻尼分配(IDA)PBC。这些方法主要用于控制感应电动

4、机和开关电源转换器。 Lee利用欧拉-拉格朗日PCB控制三相交流/直流电压源转换器。同样,一个单相脉宽调制(PWM)电流源逆变器控制与应用IDA-PBG已被Komurcugi实施。一个燃料电池/超级电容混合动力系统的控制实现基于IDA-PBC。Becherif使用IDA-PBC对太阳能系统和电池进行能源管理。本文集中在端口受控哈密顿形式和拉格朗日的光伏/电池独立混合电源的建模。光伏系统是主要的动力来源。无论光伏电池何时发电,再考虑天气状况的条件下，都小于负载功率,电池存储作为一个备用电源。无论每次生成的电是否超过负载功率这个转储负载消耗多余的电力的光伏，电池不需要充电。控制信号是通过PBC实现

5、的。功率流在混合系统组件之间在电源管理单元中管理的。2提出的系统描述 提出的混合电源如图1所示。这个电源由一个光伏系统，锂离子储能电池,直流/直流转换器,和负载组成的。 图1结构的提出混合直流电源PBC无源控制;PV:光伏2.1太阳能系统太阳能电池是一个光伏系统的基本组成部分，它将太阳能进入转换为电能。太阳能电池由一个p-n结耦合半导体材料构成。一个光伏面板包含一定数量的太阳能电池串联或并联组合来提供所需的电压和电流。一个光伏阵列由许多盘连接在串联或并联组合。等效电路的太阳能电池描述如图2。图2太阳能电池等效电路电路主要由电流源I(L)(其幅度取决于辐照度和温度)， 一个二极管D和内部并联和串

6、联电阻Rs。太阳能电池的V-I特点是高度非线性,由以下方程给出：（1）VPV和IPV是太阳能电池电压和电流，I0是二极管反向饱和电流，q是电子电荷,A是p-n结的理想因子，K是波尔兹曼常数，T是电池温度。 电能由光伏组件释放，这些组件依赖于太阳辐照度、电池温度、系统元件的效率等等。因此，在不同条件下能得到最大量的电能是必要的。电能最大化通常的方法来自光伏阵列在不同大气条件下使用最大功率点跟踪器(MPPT)算法，提供了一个参考电压或电流为直流/直流转换器。几种技巧MPPT已经在前面介绍了。 在这项研究中，最大的能量是来自光伏阵列实现的扰动和观察(P&O)方法。2.2锂离子电池模型 存储设

7、备是用于储存混合动力电源的能量。电池以电化学形式存储能量。锂离子电池优于其他类型的电池,因为他们有很高的能量密度、高工作电压水平和长循环寿命。 在本节中,锂离子的动力学模型以电池用于仿真程序来介绍。陈和林康莫拉(2006)提出了一个准确的锂电池模型，精确预测电池运行时电流-电压性能。上述模型的锂电池被描如图3。锂电池电路模型 该模型由两个独立的电路组成，这两个电路是由压控电压源和一个电流控制电流源连接而成。电池的运行状态和充电状态(SOC)使用左侧的电路来计算。等值内部阻抗模拟电池的内部电阻和瞬态行为。因此,Rser负责电池电压的降落，组件的RC网络负责短期和长期在电池内部的瞬态阻抗。元素的内

8、部等值阻抗是一个SOC的函数,可以表示为：2.3直流/直流转换器 直流输出电压振幅的PV系统依赖于太阳辐照度送到光伏阵列。因此，提高直流/直流转换器是用来调节光伏系统的输出电压的。同样，一个双向直流/直流转换器是用来控制电池存储的充电和放电。boost直流/直流转换器如图4：图4提高直流/直流转换器:（a）单向;(b)双向3端口受控的哈密顿模型 端口受控哈密顿(PCH)系统是由Dalsmo和范德Schaft(1998)为集总参数独立存储元素的物理网络建模介绍的。 考虑到非线性系统，给出如下公式： 其中xRn是状态向量,f(x)和g(x)是李普希茨函数,uRm是控制输入。方程（3）的PCH形式是

9、：是能源(或哈密顿)函数， 是互连结构矩阵，是耗散矩阵。 这个能量平衡、无源、稳定性的PCH系统被Ortega描述。同时，为解决钝化问题他们提出了IDA-PBC方法。3.1 IDA-PB控制器设计 主要的IDA-PBC想法是想通过改变优化的互连和耗散矩阵得到想要的闭环能量函数。因此，一个PCH系统考虑目标动态给出以下形式：是一个新的能量函数，这有一个严格的局部最小值的平衡xd，和分别是互连和阻尼矩阵。偏微分方程(PDE)和选择矩阵与和一个矢量函数可由以下方程满足：由此：（i）(结构保留)（ii）（可积性）是一个标量函数的梯度：（iii）(均衡分配) 当x=xd时(iv)（Lyapunov稳定性

10、）4欧拉-拉格朗日模型的混合电源在之前的章节中，一个合适的直流/直流转换器和其他组件模型已经提出了。在本节中，他们的EL描述将会给出。系统的拉格朗日是感应元素的磁同能量,用和电场能源的电容性元素表示，也可表示为,也就是,其中是电荷，是流动电流。考虑到电路约束，EL建模方程为：其中是拉格朗日乘数，是Rayleigh损耗函数，是合力函数。 混合系统的结构如图2-4，我们得到如下方程： RO和LO分别是负载电阻和电感。约束方程由基尔霍夫电流定律给出，这暗示着A（q）不依赖于电荷q,这是一个n*c的常数矩阵，其中c是约束数量。因此,，约束矩阵是 还有。考虑到方程式（12）和（17），损耗方程扩展为一系

11、列的微分方程：在对方程组（18）-（22）直接计算之后，由方程组（13）（17）所给的损耗参数，得到如下损耗模型方程组:从（26）与（27）中可知，滤波电容电压是相等的。因此， 在状态方程中的结果如下：上述方程组由矩阵表示为：M是一个正定对角矩阵，T是互连矩阵，R是耗散矩阵，E是电压源组成的向量。这个总能量函数是：满足能量平衡方程：说明总合储存能量和耗散能量的和等于提供的能量。这个混合系统控制的目标是一个电压输出的直流量，它与提高直流/直流转换器相当于直流母线的恒定电压。将带入动态方程组（28）-（30）中，则平衡矢量可表示为：其中表示闭环系统的恒定平衡点。经过简单计算，Z3d的恒值是Vd/R

12、，由方程式（28），（29），（31）可得给出和合适的值就可以得到其他变量的值。5摘要控制器设计在提出的独立混合系统中，无论PV系统在何时发电，主要目的是让负载所需的能量全来自PV系统。因此，系统的直流/直流转换器用来维持母线电压为恒值。电池存储为确保在负载耗能大于系统提供的能量时负载仍然能正常运行。在这种情况下，直流母线电压在电池的直流/直流转换器维持下保持了恒值。5.1 IDA-PBC在图4中升压转换器的动态模型中，状态方程为：其中u是连续的输出信号，它表示在直流/直流转换器的占空比，正数C，L,R0,r和E0分别为电容，电感，负载电阻，电压源的等效电阻。升压转换器的PCH模型为：其中x1

13、是电感的磁通，x2是电容电荷同样，H（x）是系统总容量输出电容电压的平衡点很显然不是常数，依赖于，因此取决于负载电阻。考虑到阻尼矩阵：设，化解，定义则是x2的函数，方程（8）简化为：由分离变量法得到：定义，控制器为：其中c1是赋值平衡状态方程（9）的常数：由此可得：，因此，IDA-PB控制器为：5.2 EL-PB设计误差矢量矩阵为：误差动态方程为：两边分别加上，动态阻尼衰减为：考虑以下误差损耗矩阵：其中假设（51）右端为0，得：考虑总能量：，得：由（50）和（53）得：上述方程可扩展为以下微分方程：由（56），得：同样，考虑到（56），（59），简单计算后，其中：6 电源管理系统在提出的混合D

14、C电源，PV系统和电池存储为负载提供能量，因此，电源管理系统需要控制PV系统，电池存储和负载的电流。PMS是在一定策略下运行的，在这项研究中，策略如下：1. PV系统是为负载提供能量的主要电源；2. 电池存储是在PV系统无法发电情况下的二次电源；3. 当负载消耗低于PV系统所产生的电量时，电池处于充电状态；根据以上策略，PMS算法如图5：电源管理系统的流程图7 仿真结果和讨论这项研究是解决Hamiltonian端口控制，EL结构模型和独立光伏电池混合电源的PBC。MATLAB/Simulink环境用来仿真光伏电池混合电源系统的PBC模型。锂离子电池,非线性模型的直流/直流变换器和双向DC /

15、DC变换器，表1显示了规格的光伏系统,它包括两个模块的组合：并联和串联四个模块。规范锂离子储能电池的表2中给出。这个直流/直流转换器规格表3给出。图6模型模型:(一)无源欧拉-拉格朗日和提高变换器;(b)连接和阻尼分配无源控制参数 值参数 值最大功率（W） 85MPP电压(V) 17.8MPP电流(A) 4.8短路电流(A) 5.1开路电压（V） 22.2组件效率 13.1%串联元件 4并联元件 2表1参数 值容量（毫安*小时） 850名义电压 （V） 3.7最大充电电压（V） 4.23串联元件数 11并联数 8 表2参数 值参数 值Lpv(mh) 23.2Cpv(uF) 330Rpv(欧姆)

16、 0.03电池电感（Mh） 100电池电容（uF） 87电池电阻（欧） 0.07表3图77.1 第一种情况负载电阻差异发生在2.5，4.5,6.5s三个阶段。负载电压和电流如图8，图9表明PV系统电压和电流，这些都有P&O MPPT算法得出。图8.负载电压电流的变化图9.PV系统最大输出量时的电压电流电池存储电压和电流在太阳辐照度和负载电阻条件下如图10，电池电压电流基于EL-PBC比基于IDA-PBC由更小的超调量。图10c描述了电池的SOC充电放电状态，在这种情况下原来电池存储SOC是70%。因此，电池的放电阶段是6.5到8.5，另外，负载超过PV系统产电情况如图11.图10图11

17、PV系统的直流/直流转换器的控制和电池存储如图12.在这种情况下，基于EL-PBC的混合电源比基于IDA-PBC具有更低的超调量图127.2 第二种情况在第二种情况下，电池初始为85%，超出了PMS定义的范围，换句话说，这不是最安全的充电模式。图13描述了电池电压和电流基于两种PB类型的控制器。由图13a和13b可知，电池存储负载时有波动，在图13c，插入了电池在放电情况下6.5到8.5之间的阶段。图13根据电池存储限制，无论何时PV系统发电超出负载，负载从PV系统所消耗的电能是可变的，它的值由PMS策略具体表现澡0.2到6.5内。图148 结论一个独立混合光伏电源和电力电子接口基于端口控制的Hamiltonian 系统和Euler-Lagrange构架已经建模，根据建模方法设计出PB控制器，PV