專業(yè)英語論文

1、光伏/電池混合電源互連阻尼分配和歐拉-拉格朗日無源控制的獨立應(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使用MATLAB / Simulink。我們的興趣集中在兩個無源控制方法和他們在混合動力系統(tǒng)中使用的比較上。關(guān)鍵詞:直流混合動力電源,歐拉-拉格朗

2、日(EL)方程,互連和阻尼分配(IDA)、無源控制、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,太陽能現(xiàn)在被廣泛使用,因為它免費、豐富、無污染。 據(jù)估計，大約80%的所有光伏(PV)系統(tǒng)是用于獨立的應(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,多云時期，在晚上，一個光伏系統(tǒng)不會產(chǎn)生任何電力。因此,混合電力來源介紹如何充分的利用太陽能。電池是一個二次源存儲太陽能，用于在混合系統(tǒng)約束下需要的時候。電力電子轉(zhuǎn)換器在混合動力系統(tǒng)中扮演了一個重要的角色。這些是由分布來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)行在任何平衡點的變化下是不會保持不變的。這個比例-積分(PI)控制器是一個被用于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，滑動模式,無源控制用于控制轉(zhuǎn)換器。特別是，一個無源控制(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控制器的設(shè)計方法來介紹的，由鈍化實現(xiàn)了穩(wěn)定性。兩個PBC理論被發(fā)展開來：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

4、機和開關(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實施。一個燃料電池/超級電容混合動力系統(tǒng)的控制實現(xiàn)基于IDA-PBC。Becherif使用IDA-PBC對太陽能系統(tǒng)和電池進行能源管理。本文集中在端口受控哈密頓形式和拉格朗日的光伏/電池獨立混合電源的建模。光伏系統(tǒng)是主要的動力來源。無論光伏電池何時發(fā)電,再考慮天氣狀況的條件下，都小于負(fù)載功率,電池存儲作為一個備用電源。無論每次生成的電是否超過負(fù)載功率這個轉(zhuǎn)儲負(fù)載消耗多余的電力的光伏，電池不需要充電?？刂菩盘柺峭ㄟ^PBC實現(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。這個電源由一個光伏系統(tǒng)，鋰離子儲能電池,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無源控制;PV:光伏2.1太陽能系統(tǒng)太陽能電池是一個光伏系統(tǒng)的基本組成部分，它將太陽能進入轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池由一個p-n結(jié)耦合半導(dǎo)體材料構(gòu)成。一個光伏面板包含一定數(shù)量的太陽能電池串聯(lián)或并聯(lián)組合來提供所需的電壓和電流。一個光伏陣列由許多盤連接在串聯(lián)或并聯(lián)組合。等效電路的太陽能電池描述如圖2。圖2太陽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)， 一個二極管D和內(nèi)部并聯(lián)和串

6、聯(lián)電阻Rs。太陽能電池的V-I特點是高度非線性,由以下方程給出：（1）VPV和IPV是太陽能電池電壓和電流，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自光伏陣列在不同大氣條件下使用最大功率點跟蹤器(MPPT)算法，提供了一個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。 在這項研究中，最大的能量是來自光伏陣列實現(xiàn)的擾動和觀察(P&O)方法。2.2鋰離子電池模型 存儲設(shè)

7、備是用于儲存混合動力電源的能量。電池以電化學(xué)形式存儲能量。鋰離子電池優(yōu)于其他類型的電池,因為他們有很高的能量密度、高工作電壓水平和長循環(huán)壽命。 在本節(jié)中,鋰離子的動力學(xué)模型以電池用于仿真程序來介紹。陳和林康莫拉(2006)提出了一個準(zhǔn)確的鋰電池模型，精確預(yù)測電池運行時電流-電壓性能。上述模型的鋰電池被描如圖3。鋰電池電路模型 該模型由兩個獨立的電路組成，這兩個電路是由壓控電壓源和一個電流控制電流源連接而成。電池的運行狀態(tài)和充電狀態(tài)(SOC)使用左側(cè)的電路來計算。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)依賴于太陽輻照度送到光伏陣列。因此，提高直流/直流轉(zhuǎn)換器是用來調(diào)節(jié)光伏系統(tǒng)的輸出電壓的。同樣，一個雙向直流/直流轉(zhuǎn)換器是用來控制電池存儲的充電和放電。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)獨立存儲元素的物理網(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。 這個能量平衡、無源、穩(wěn)定性的PCH系統(tǒng)被Ortega描述。同時，為解決鈍化問題他們提出了IDA-PBC方法。3.1 IDA-PB控制器設(shè)計 主要的IDA-PBC想法是想通過改變優(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PCH系統(tǒng)考慮目標(biāo)動態(tài)給出以下形式：是一個新的能量函數(shù)，這有一個嚴(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）是一個標(biāo)量函數(shù)的梯度：（iii）(均衡分配) 當(dāng)x=xd時(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），損耗方程擴展為一系

11、列的微分方程：在對方程組（18）-（22）直接計算之后，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是一個正定對角矩陣，T是互連矩陣，R是耗散矩陣，E是電壓源組成的向量。這個總能量函數(shù)是：滿足能量平衡方程：說明總合儲存能量和耗散能量的和等于提供的能量。這個混合系統(tǒng)控制的目標(biāo)是一個電壓輸出的直流量，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。經(jīng)過簡單計算，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)計在提出的獨立混合系統(tǒng)中，無論PV系統(tǒng)在何時發(fā)電，主要目的是讓負(fù)載所需的能量全來自PV系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)的直流/直流轉(zhuǎn)換器用來維持母線電壓為恒值。電池存儲為確保在負(fù)載耗能大于系統(tǒng)提供的能量時負(fù)載仍然能正常運行。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)換器的動態(tài)模型中，狀態(tài)方程為：其中u是連續(xù)的輸出信號，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很顯然不是常數(shù)，依賴于，因此取決于負(fù)載電阻。考慮到阻尼矩陣：設(shè)，化解，定義則是x2的函數(shù)，方程（8）簡化為：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)計誤差矢量矩陣為：誤差動態(tài)方程為：兩邊分別加上，動態(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：上述方程可擴展為以下微分方程：由（56），得：同樣，考慮到（56），（59），簡單計算后，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)，電池存儲和負(fù)載的電流。PMS是在一定策略下運行的，在這項研究中，策略如下：1. PV系統(tǒng)是為負(fù)載提供能量的主要電源；2. 電池存儲是在PV系統(tǒng)無法發(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，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)果和討論這項研究是解決Hamiltonian端口控制，EL結(jié)構(gòu)模型和獨立光伏電池混合電源的PBC。MATLAB/Simulink環(huán)境用來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),它包括兩個模塊的組合：并聯(lián)和串聯(lián)四個模塊。規(guī)范鋰離子儲能電池的表2中給出。這個直流/直流轉(zhuǎn)換器規(guī)格表3給出。圖6模型模型:(一)無源歐拉-拉格朗日和提高變換器;(b)連接和阻尼分配無源控制參數(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） 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)最大輸出量時的電壓電流電池存儲電壓和電流在太陽輻照度和負(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)，在這種情況下原來電池存儲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，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，電池存儲負(fù)載時有波動，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)電池存儲限制，無論何時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)論一個獨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)計出PB控制器，PV