基于燃料电池的微电网的分布式协同功率控制方法技术

本发明专利技术公开了一种基于燃料电池的微电网的分布式协同功率控制方法，属于燃料电池新能源技术领域。本发明专利技术首先建立包含具有光伏电池、小型风力涡轮发电机、固体氧化物燃料电池、锂电池和电解槽的隔离式直流微电网系统模型；然后分别建立功率跟踪控制器，实现分散式功率跟踪；最后在分散式功率跟踪策略的基础上，基于稀疏通信网络，利用分布式共识算法实时计算并补偿微电网功率平衡误差，实现分布式协同功率跟踪控制。本发明专利技术采用基于稀疏通信网络的分布式平均共识算法进行功率平衡误差计算，能够有效的克服集中式控制方法的难扩展、单点故障等问题；进而有效的解决SOFC功率跟踪延迟造成的微电网功率不平衡与分散式控制方法的直流母线电压偏差等问题。母线电压偏差等问题。母线电压偏差等问题。

【技术实现步骤摘要】
基于燃料电池的微电网的分布式协同功率控制方法


[0001]本专利技术属于燃料电池新能源
，具体涉及一种适用于基于燃料电池的微电网的分布式协同功率控制方法。

技术介绍

[0002]推广与应用可再生能源与高效率低污染的固体氧化物燃料电池(SOFC)相结合的微电网系统，是推动“碳中和，碳达峰”，限制全球变暖的有效途径。为降低微电网运行成本与排放并提高效率与寿命等方面性能，需采用能量管理策略确定微电网各设备的最佳功率参考点，再进行功率跟踪控制。然而，在光伏、风机等可再生能源发电的间歇性和随机性以及负载需求功率的不确定性影响下，微电网中各设备的最佳功率参考点将不断变化。由于燃料传输延迟、热安全约束和退化等因素，过快的功率跟踪将导致SOFC燃料利用率、温度梯度等超出安全约束，造成电堆不可逆的损害。SOFC难以进行快速地、精确地跟踪不断变化的参考功率，将导致微电网流出与流出功率不等。流入功率大于流出功率，将使微电网电压上升，反之下降，进而导致微电网总线电压不稳定。
[0003]现有考虑可再生能源和负载功率影响的此类微电网控制方法中，一部分仅根据单个设备的特性和数据设计分散式的功率跟踪控制器，难以快速消除SOFC等设备功率跟踪延迟对整个微电网电压稳定性的影响；另一部分为整个微电网设计集中式控制器，难以扩展新设备且受限于集中计算能力、通信带宽。因此，为实现此类微电网的稳定控制，开发能够跟踪能量管理策略提供的最佳参考功率且消除可再生能源、负载功率波动造成的SOFC等设备功率跟踪误差的分布式协同控制方法尤为重要。
专利
技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于：为了克服现有技术的不足，提供了一种适用于基于固体氧化物燃料电池(SOFC)微电网的分布式协同功率跟踪控制方法，其首先为光伏电池、风机、SOFC、电解槽以及锂电池分别设计功率跟踪控制器；然后，在分散式控制的基础上，通过分布式共识算法计算微电网功率平衡误差，再调度微电网中锂电池的功率补偿因SOFC功率跟踪延迟造成的微电网的功率失衡，以保障直流母线电压稳定。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术的适用于基于固体氧化物燃料电池微电网的分布式协同功率跟踪控制方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：建立考虑退化的固体氧化物燃料电池SOFC系统模型，并基于该固体氧化物燃料电池系统模型建立对应的微电网；
[0007]步骤2：采用能量管理策略为SOFC、电解槽和锂电池分配输入和输出功率，P
j,ref
，j＝{fc,el,bat}；
[0008]步骤3：为微电网中光伏、风机、锂电池、燃料电池和电解槽分别建立功率跟踪控制器，实现分散式功率跟踪，得到分散式(分布式)功率跟踪策略，其中光伏、风机采用最大功率跟踪控制器，燃料电池采用模型预测控制器，锂电池、电解槽采用PI(比例积分)控制器；
[0009]步骤4：在步骤3所建立的分散式功率跟踪策略的基础上，基于稀疏通信网络，利用分布式共识算法实时计算微电网功率平衡误差并修正锂电池功率以补偿功率平衡误差，实现分布式协同功率跟踪控制。
[0010]进一步的，步骤1中，将燃料电池(即SOFC)的电压V的退化率采用下式所示与电流、温度和燃料利用率的函数进行描述：
[0011][0012]其中，V
d
(t)表示燃料电池在t时刻的电压退化率(即电池堆电压退化率)，u
f
表示燃料利用率，T表示气体温度，I表示燃料电池电流，a1、a2、a3、a4和a5为预置的5个常数，采用实时数据进行辨识确定。
[0013]进一步的，步骤3中，分散式功率跟踪控制的具体内容为：
[0014](1)光伏最大功率跟踪控制
[0015]采用电导增量法对光伏进行控制，其根据最大功率处满足dP
pv
/dV
pv
＝0条件，对最大功率点跟踪控制，具体为：
[0016][0017]其中，I
pv
、V
pv
和G
pv
分别为光伏电池电流、电压和电导，P
pv
表示光伏电池功率。当电导的偏导dG
pv
＝
‑
G
pv
时，处于最大功率点；当dG
pv
>
‑
G
pv
时，处于最大功率点左侧，需增加电压；当dG
pv
<
‑
G
pv
时，处于最大功率点右侧，需降低电压；即给光伏分配更多的功率以增大电压，具体的增加方式可基于实际场景选取，当增加到dG
pv
＝
‑
G
pv
时停止。
[0018]其中，增压或降压的具体实现手段如下：
[0019]最大功率点的参考电压具体为：
[0020][0021]其中，V
pv,ref,k+1
表示下一时刻光伏电池最大功率参考电压，I
pv,k
、V
pv,k
和G
k
分为k步迭代的光伏电池最大功率参考电流、电压和电导，γ
k
为步长，定义为：
[0022][0023]式中，th为阈值，其与采样间隔有关。
[0024]得到光伏最大功率点的参考电压后，采用PI控制器调节DC/DC(直流转直流开关电源)占空比D
pv
实现最大功率跟踪。
[0025][0026]其中，k
p
、k
i
分别为比例系数和积分系数。
[0027](2)风机最大功率跟踪控制
[0028]对于给定的风机，在恒定的俯仰角下，无论风速如何，叶片最优尖端速度λ
opt
保持恒定值。在风速v下能够捕获最大风力功率的最优转速ω
opt
为：
[0029][0030]其中，R为叶片半径。
[0031]当机械转速ω
m
跟踪其最优转速ω
opt
即可提取最大的风能。由风机最大功率处满足dP
wt
/dω
m
＝0条件，可得：
[0032][0033]式中，ω
m
为转子转速，P
wt
为风机功率，V
wt
为二极管电桥整流器的输出电压，其正比于相电压V
ph
，由永磁同步电机特性可知dV
ph
/dω
e
>0，则dV
wt
/dω
e
>0；D
wt
为DC/DC转换器占空比，由Boost升压DC/DC输入输出关系可知dD
wt
/dV
wt
＝
‑
V
out
<0，其中，V
out
表示Boos本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于燃料电池的微电网的分布式协同功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：建立基于退化的固体氧化物燃料电池SOFC系统模型，并基于该固体氧化物燃料电池系统模型建立对应的微电网；步骤2：采用能量管理策略为SOFC、电解槽和锂电池设定输入和输出参考功率，记为P
j,ref
，其中对象符号j∈{fc,el,bat}，fc,el,bat分别表示SOFC、电解槽和锂电池；步骤3：为微电网中的光伏、风机、锂电池、燃料电池和电解槽分别建立功率跟踪控制器，实现分散式功率跟踪以获取分散式功率跟踪策略；步骤4：根据步骤3得到的分散式功率跟踪策略，基于稀疏通信网络，采用分布式共识算法实时计算微电网功率平衡误差并修正锂电池功率，以补偿功率平衡误差。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中，光伏、风机采用最大功率跟踪控制器，燃料电池采用模型预测控制器，锂电池、电解槽采用比例积分PI控制器。3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤3具体为：步骤301，光伏电池的最大功率点的参考电压的计算方式为：其中，V
pv,ref,k+1
表示下一时刻光伏电池最大功率参考电压，I
pv,k
、V
pv,k
和G
k
分为k步迭代的光伏电池最大功率参考电流、电压和电导；γ
k
为步长，定义为：其中，th表示预设阈值；采用PI控制器调节光伏电池的电路占空比D
pv
以控制光伏电池的输出功率：其中，k
p
、k
i
分别为比例系数和积分系数，t为当前时刻；步骤302，风机的捕获最大风力功率的最优转速ω
opt
的计算方式为：其中，λ
opt
为风机叶片最优尖端速度比，R为风机叶片半径，v为风速；采用PI控制器根据转速误差调节风机的占空比D
wt
以控制风机的输出功率：以控制风机的输出功率：其中，ω
m
为当前风机机械转速，I
wt,ref
、I
wt
分别为风机最大功率处参考电流和当前风机电流；k
p1
和k
p2
分别为转速的比例系数和积分系数，k
i1
和k
i2
分别为电流的比例系数和积分系数；步骤303，SOFC控制量的优化方式为：
s.t.T
b
≤1273K0.6≤u
f
≤0.9其中，J(u)表示SOFC控制量的目标函数，p、m分别为预测时域步长和控制时域步长，Q、R分别为与控制误差和输入增量相乘的系数矩阵；u＝[I,u
f

【专利技术属性】
技术研发人员：吴小娟，操畅，凌兴鹏，罗浩文，张卫东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：