基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的最大功率点跟踪方法。首先，根据质子交换膜燃料电池的输出特性设计滑模控制的滑模面，包括用于寻找最大功率点的滑模面和用于跟踪并稳定在最大功率输出状态的滑模面。通过使用双滑模面，将复杂的寻优问题转变为传统的跟踪问题，使得在滑模面的设计上有着更多灵活性。其次，选用广义超螺旋算法作为控制律，并应用等效滑模控制方法。设计滑模面切换策略，通过监控操作条件是否发生变化或处于变化过程中，并判断当前工作点是否为MPP，设立状态标志flag对当前滑模面进行切换，应对环境变化。本发明专利技术可以大幅削弱抖振，提高MPP的追踪能力。MPP的追踪能力。MPP的追踪能力。

【技术实现步骤摘要】
基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法


[0001]本专利技术属于新能源领域，具体为一种基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的最大功率点跟踪(Maximum Power Point Tracking，MPPT)方法。

技术介绍

[0002]氢气是新兴能源，质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种利用氢气进行发电的装置。为了改善其电能输出的不稳定性，可充分利用反应物燃料氢气，提高PEMFC使用寿命好经济效益，MPPT技术不可或缺。目前，对于MPPT技术的研究很多，但是在环境连续变化下的情况讨论较少，难以应用于实际情况。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池的MPPT方法。
[0004]实现本专利技术目的的技术方案为：一种基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法，包括如下步骤：
[0005]步骤1，根据PEMFC工作特性和工作原理，建立PEMFC机理模型；
[0006]步骤2，利用Boost变换器采集PEMFC的输出电压、输出电流以及负载端电压，使用采集的电压、电流建立等效滑模控制；
[0007]步骤3，设计最大功率点跟踪的寻优滑模面；
[0008]步骤4，设计稳态跟踪滑模面；
[0009]步骤5，设计滑模面的切换策略，保证在任意情况下算法的正确跟踪；
[0010]步骤6，使用GSTA方法设计自适应等效滑模控制。
[0011]本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：
[0012]1.本专利技术发现并解决了最大功率点跟踪中经常使用的滑模面存在以燃料电池内阻为影响因素的振荡问题，通过使用双滑模面的设计以及应用完善的切换策略，一个滑模面用于寻优，一个滑模面用于稳态跟踪，大幅削弱了抖振、提高了稳定性；
[0013]2.本专利技术提出了一种适合燃料电池最大功率点跟踪自适应增益的方法，部分削弱了抖振，提高了追踪速度，降低了控制器增益，提高了系统稳定性和鲁棒性。
[0014]3.本专利技术不仅适用于外界环境稳定的情况，还可以很好的应对连续变化的工况，实时跟踪燃料电池最大功率点，有着很强的适用性。
附图说明
[0015]图1是Boost变换器拓扑及波形。
[0016]图2是滑模面切换策略流程图。
[0017]图3是本专利技术MPPT系统的结构图。
[0018]图4是算法间的燃料电池输出功率对比图。
[0019]图5是算法间的燃料电池负载功率对比图。
[0020]图6是温度变化时的功率变化图。
[0021]图7是燃料电池输出功率跟踪路径图。
具体实施方式
[0022]下面结合附图与具体实施例，进一步说明本专利技术方案。
[0023]一种基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法，过程如下：
[0024]步骤1，根据PEMFC工作特性和工作原理，建立PEMFC机理模型。所述PEMFC只存在一个最大功率点。
[0025]进一步的，步骤1中选取温度、膜内水含量作为PEMFC机理模型的输入变量，输出电压、电流、功率作为输出变量。根据PEMFC输出特性，确定输出功率特性曲线为凸曲线，有唯一最大点。
[0026]步骤2，利用Boost变换器采集PEMFC的输出电压V
in
、输出电流I
in
(i
L
)以及负载端电压V0，用于等效滑模控制设计，具体过程为：
[0027]步骤2.1，Boost变换器如图1所示，建立Boost变换器的状态空间模型：
[0028][0029]其中，D为占空比，X1为开关管导通时的状态，X2为开关管关断时的状态。
[0030][0031]其中i
L
为电感电流，也就是燃料电池的输出电流，V0为负载电压，i
L_on
、V
0_on
分别为开关管导通时的电感电流和负载电压，i
L_off
、V
0_off
分别为开关管关断时的电感电流和负载电压。
[0032]变换器系统的动态微分方程为：
[0033][0034]其中L、C、R分别为变换器中的电感值、电容值和负载大小，V
in
为燃料电池的输出电压。
[0035]将Boost变换器的状态空间模型转化为非线性时不变系统的一般形式：
[0036][0037][0038]步骤2.2，等效滑模控制：
[0039]一般的非线性时不变系统描述如下：
[0040][0041]当达到理想的滑动模态控制时：
[0042][0043][0044][0045]等效滑模控制为：
[0046][0047]针对带有不确定性和干扰的系统，采用的控制律为等效控制和切换控制的组合，切换控制用于实现对不确定性和外加干扰的鲁棒控制，控制律如下所示：
[0048]u＝u
eq
‑
v
ꢀꢀꢀ
(11)
[0049]其中，v为弥补切换控制。
[0050]步骤3，设计最大功率点跟踪的寻优滑模面s1，具体过程为：
[0051][0052][0053]其中P
st
、I
st
、V
st
分别为电堆功率、电堆电流、电堆电压。
[0054]即滑模面s1为：
[0055][0056]步骤4，根据寻优滑模面s1设计稳态跟踪滑模面s2，减小滑模抖振。
[0057]当系统稳定时，s1＝0，根据式(14)可得：
[0058][0059][0060]r＝
‑
dr
ꢀꢀꢀ
(17)
[0061]其中r为燃料电池瞬时阻抗，dr为阻抗变化量。理想情况下系统稳定时阻抗变化量dr＝0，然而燃料电池无论处于什么情况下都一定存在内阻r，r≠0。从而无法满足s＝0的条件，导致系统不可避免的会以阻抗r为影响因素进行振荡。因此需要设计滑模面s2以避免滑模面s1对稳态的影响，可以做到大幅削弱抖振，提高跟踪能力。同时双滑模面的设计也为算法提供了足够的灵活度，滑模面s2的设计十分灵活，可以使用最简单的误差滑模面，也可以设计成准滑模亦或是终端滑模等等。由于已经使用了滑模面s1进行寻优，滑模面s2解除了滑模面s1要满足寻优功能的设计限制，只需要跟踪稳态即可，滑模面s2可描述为：
[0062]s2＝I
ref
‑
I
st
ꢀꢀꢀ
(18)
[0063]当使用滑模面s1追踪到最大功率点时，将此时的电感电流值作为最大功率点对应的参考电流值I
ref
构建滑模面s2。
[0064]综合步骤3和步骤4，可得双滑模面如下：
[0065][0066]步骤5，设计滑模面的切换策略，保证在任意情况下算法的正确跟踪，具体过程如图2所示：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，根据PEMFC工作特性和工作原理，建立PEMFC机理模型；步骤2，利用Boost变换器采集PEMFC的输出电压、输出电流以及负载端电压，使用采集的电压、电流建立等效滑模控制；步骤3，设计最大功率点跟踪的寻优滑模面；步骤4，设计稳态跟踪滑模面；步骤5，设计滑模面的切换策略，保证在任意情况下算法的正确跟踪；步骤6，使用GSTA方法设计自适应等效滑模控制。2.根据权利要求1所述的基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法，其特征在于，步骤1中选取温度、膜内水含量作为PEMFC模型的输入变量，输出电压、电流、功率作为输出变量，根据PEMFC输出特性，输出功率特性曲线为凸曲线，只存在一个最大功率点。3.根据权利要求1所述的基于双滑模面自适应等效滑模控制的燃料电池的MPPT方法，其特征在于，步骤2中使用采集的电压、电流建立等效滑模控制，具体为：步骤2.1，建立Boost变换器的状态空间模型：其中，D为占空比，X1为开关管导通时的状态，X2为开关管关断时的状态；其中i
L
为电感电流，V0为负载电压，i
L_on
、V
0_on
分别为开关管导通时的电感电流和负载电压，i
L_off
、V
0_off
分别为开关管关断时的电感电流和负载电压；变换器系统的动态微分方程为：其中L、C、R分别为变换器中的电感值、电容值和负载大小，V
in
为燃料电池的输出电压；将Boost变换器的状态空间模型转化为非线性时不变系统的一般形式：
步骤2.2，等效滑模控制：一般的非线性时不变系统描述如下：当达到理想的滑动模态控制时：当达到理想的滑动模态控制时：当达到理想的滑动模态控制时：等效滑模控制为：针对带有不确定性和干扰的系统，采用的控制律为等效控制和切换控制的组合，切换控制用于实现对不确定性和外加干扰的鲁棒控制，控制律如下所示：u＝u
eq
‑
v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)其中，v为弥补切换控制。4.根据权利要求1所述的基于双滑模面自...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪昊桢，秦灏，戚志东，陈豹，曹义航，袁文舒，姚楚豪，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：