獨立直流微電網(wǎng)中多組燃料電池分布式協(xié)同控制

汪海姍，王冰，張秋橋，曹智杰

(1.河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京豪慶信息科技有限公司，江蘇 南京 210006)

0 引 言

微電網(wǎng)是由分布式電源、儲能裝置、能量轉(zhuǎn)換裝置和負荷所組成的系統(tǒng)[1]。直流微電網(wǎng)相比交流微電網(wǎng)有其獨特的優(yōu)勢[2]：僅考慮有功功率的平衡，無需考慮無功功率的傳輸和跟蹤電壓的頻率，提高了系統(tǒng)的可控性和可靠性，有利于儲能裝置、負載以及分布式電源的接入。

近年來，一些智能控制應(yīng)用于微電網(wǎng)穩(wěn)定性研究中，如滑模控制、自適應(yīng)控制和下垂控制等[3-4]，其中基于端口受控耗散Hamilton系統(tǒng)的研究引起大量學(xué)者的關(guān)注[5]。Hamilton系統(tǒng)是一種基于無源性理論的非線性控制方法，對于獨立直流微電網(wǎng)的模型創(chuàng)建，本文采用Hamilton能量方法進行構(gòu)造。由于單組燃料電池容量有限，為滿足供需平衡，將會持續(xù)過度供電，縮短其使用壽命。為了克服單組系統(tǒng)的缺陷，將多組燃料電池相互連接形成獨立直流微電網(wǎng)[6]，引入分布式協(xié)同控制策略[7]，使得負載所需的電量在各組燃料電池中進行合理分配，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 獨立直流微電網(wǎng)單組模型Hamilton實現(xiàn)

1.1 獨立直流微電網(wǎng)模型

獨立直流微電網(wǎng)中主電源選用質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)。儲能裝置選用成本低、使用壽命長的超級電容。將受外界環(huán)境影響較大的風(fēng)能、光能與負荷一起看作一個電流源iBUS，其等效模型為[8]:

(1)

式中：LFC、LSC、rFC、rSC分別為DC/DC變換器的等效電感和電阻;UFC和USC為PEMFC和超級電容的端口電壓，其輸出電流分別為iFC和iSC；UDC、CDC分別為直流母線電壓和等效電容；iBUS為等效電流源;α1和α2分別為功率開關(guān)管VTFC和VTSC的占空比，令u1=α1,u2=α2作為控制輸入。

1.2 單組模型Hamilton實現(xiàn)

(2)

根據(jù)系統(tǒng)模型，選取Hamilton能量函數(shù)為：

(3)

(4)

2 獨立直流微電網(wǎng)協(xié)同控制

2.1 多組燃料電池微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

含多組PEMFC的分布式獨立直流微電網(wǎng)如圖1所示。每組供電系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點，相互之間由通信網(wǎng)絡(luò)交流各自狀態(tài)與參數(shù)，構(gòu)建了分布式協(xié)同控制的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[6]。每組系統(tǒng)分別接入各自的直流母線，參考電壓Ud=150 V。

圖1 含多組燃料電池獨立直流微電網(wǎng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 微電網(wǎng)協(xié)同控制

設(shè)計分布式協(xié)同控制為：

(5)

式中：λi>0為可調(diào)節(jié)增益;aij為權(quán)重系數(shù)，若之間有通信連接，則aij=1，否則aij=0。

由此可知，整個閉環(huán)系統(tǒng)是全局穩(wěn)定的。下面，考慮集合

(6)

根據(jù)LaSalle’s不變集定理，當t→∞時，系統(tǒng)的解最終收斂到集合E中，即獨立直流微電網(wǎng)中的每組PEMFC實現(xiàn)輸出同步，證明完畢。

(7)

由式(2)和式(7)可知,當每組PEMFC實現(xiàn)輸出一致時，即輸出功率為：PFCi=UdiBUS。

3 仿真分析

為驗證分布式一致性協(xié)調(diào)控制的有效性，在MATLAB仿真平臺對其進行仿真。五組PEMFC的主要參數(shù)如表1所示。

表1 多組PEMFC獨立直流微電網(wǎng)主要參數(shù)

假設(shè)含5組PEMFC的分布式獨立直流微電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖2所示。每個節(jié)點代表圖1中單組PEMFC系統(tǒng)，取等效電流源iBUS=7 A。在分布式協(xié)同控制的策略下PEMFC的輸出功率如圖3所示。從圖3可以看出,在t=0.15 s時，PEMFC輸出功率達到一致約1.05 kW，而理論計算輸出功率PFCi=UdiBUSi=1.05 kW，各組PEMFC系統(tǒng)平均承擔負荷總功率。

圖2 多組PEMFC網(wǎng)絡(luò)拓撲

圖3 PEMFC輸出功率響應(yīng)曲線

從圖4可以看出,超級電容的電流iSC在t=0.15 s時達到穩(wěn)定值0 A，表明各組儲能裝置既不充電也不放電。從圖5可以看出,在t=0.2 s時母線電壓相互協(xié)調(diào)，穩(wěn)定在參考電壓150 V。多組PEMFC獨立直流微電網(wǎng)的仿真表明，在分布式協(xié)同控制下，整個系統(tǒng)穩(wěn)定，且PEMFC的輸出功率一致。

圖4 超級電容電流響應(yīng)曲線圖

圖5 直流母線電壓響應(yīng)曲線

4 結(jié)束語

為提高偏遠地區(qū)獨立直流微電網(wǎng)穩(wěn)定性和分布式電源的接入容量，提出分布式協(xié)同控制策略?；贖amilton能量理論將單組PEMFC模型拓展為相互通信的多組PEMFC獨立直流微電網(wǎng)，進而在單組穩(wěn)定的前提下，展開針對多組PEMFC的輸出一致性的研究，使得整個多組PEMFC微電網(wǎng)系統(tǒng)穩(wěn)定，且每組PEMFC的輸出功率一致。微電網(wǎng)系統(tǒng)中存在參數(shù)擾動和輸入擾動等不確定因素，有待進一步的研究。