獨立直流微電網中多組燃料電池分布式協同控制

汪海姍，王冰，張秋橋，曹智杰

(1.河海大學 能源與電氣學院，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

微電網是由分布式電源、儲能裝置、能量轉換裝置和負荷所組成的系統[1]。直流微電網相比交流微電網有其獨特的優勢[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，一些智能控制應用于微電網穩定性研究中，如滑模控制、自適應控制和下垂控制等[3-4]，其中基于端口受控耗散Hamilton系統的研究引起大量學者的關注[5]。Hamilton系統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的模型創建，本文采用Hamilton能量方法進行構造。由于單組燃料電池容量有限，為滿足供需平衡，將會持續過度供電，縮短其使用壽命。為了克服單組系統的缺陷，將多組燃料電池相互連接形成獨立直流微電網[6]，引入分布式協同控制策略[7]，使得負載所需的電量在各組燃料電池中進行合理分配，提高系統的穩定性。

1 獨立直流微電網單組模型Hamilton實現

1.1 獨立直流微電網模型

獨立直流微電網中主電源選用質子交換膜燃料電池(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。將受外界環境影響較大的風能、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

(2)

根據系統模型，選取Hamilton能量函數為：

(3)

(4)

2 獨立直流微電網協同控制

2.1 多組燃料電池微電網結構圖

含多組PEMFC的分布式獨立直流微電網如圖1所示。每組供電系統是網絡中的節點，相互之間由通信網絡交流各自狀態與參數，構建了分布式協同控制的網絡基礎[6]。每組系統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結構圖

2.2 微電網協同控制

設計分布式協同控制為：

(5)

式中：λi>0為可調節增益;aij為權重系數，若之間有通信連接，則aij=1，否則aij=0。

由此可知，整個閉環系統是全局穩定的。下面，考慮集合

(6)

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

(7)

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

3 仿真分析

為驗證分布式一致性協調控制的有效性，在MATLAB仿真平臺對其進行仿真。五組PEMFC的主要參數如表1所示。

表1 多組PEMFC獨立直流微電網主要參數

假設含5組PEMFC的分布式獨立直流微電網網絡拓撲圖如圖2所示。每個節點代表圖1中單組PEMFC系統，取等效電流源iBUS=7 A。在分布式協同控制的策略下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系統平均承擔負荷總功率。

圖2 多組PEMFC網絡拓撲

圖3 PEMFC輸出功率響應曲線

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時母線電壓相互協調，穩定在參考電壓150 V。多組PEMFC獨立直流微電網的仿真表明，在分布式協同控制下，整個系統穩定，且PEMFC的輸出功率一致。

圖4 超級電容電流響應曲線圖

圖5 直流母線電壓響應曲線

4 結束語

為提高偏遠地區獨立直流微電網穩定性和分布式電源的接入容量，提出分布式協同控制策略。基于Hamilton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，進而在單組穩定的前提下，展開針對多組PEMFC的輸出一致性的研究，使得整個多組PEMFC微電網系統穩定，且每組PEMFC的輸出功率一致。微電網系統中存在參數擾動和輸入擾動等不確定因素，有待進一步的研究。