独立直流微电网中多组燃料电池分布式协同控制

汪海姗，王冰，张秋桥，曹智杰

(1.河海大学 能源与电气学院，江苏 南京 211100；2.南京豪庆信息科技有限公司，江苏 南京 210006)

0 引 言

微电网是由分布式电源、储能装置、能量转换装置和负荷所组成的系统[1]。直流微电网相比交流微电网有其独特的优势[2]：仅考虑有功功率的平衡，无需考虑无功功率的传输和跟踪电压的频率，提高了系统的可控性和可靠性，有利于储能装置、负载以及分布式电源的接入。

近年来，一些智能控制应用于微电网稳定性研究中，如滑模控制、自适应控制和下垂控制等[3-4]，其中基于端口受控耗散Hamilton系统的研究引起大量学者的关注[5]。Hamilton系统是一种基于无源性理论的非线性控制方法，对于独立直流微电网的模型创建，本文采用Hamilton能量方法进行构造。由于单组燃料电池容量有限，为满足供需平衡，将会持续过度供电，缩短其使用寿命。为了克服单组系统的缺陷，将多组燃料电池相互连接形成独立直流微电网[6]，引入分布式协同控制策略[7]，使得负载所需的电量在各组燃料电池中进行合理分配，提高系统的稳定性。

1 独立直流微电网单组模型Hamilton实现

1.1 独立直流微电网模型

独立直流微电网中主电源选用质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)。储能装置选用成本低、使用寿命长的超级电容。将受外界环境影响较大的风能、光能与负荷一起看作一个电流源iBUS，其等效模型为[8]:

(1)

式中：LFC、LSC、rFC、rSC分别为DC/DC变换器的等效电感和电阻;UFC和USC为PEMFC和超级电容的端口电压，其输出电流分别为iFC和iSC；UDC、CDC分别为直流母线电压和等效电容；iBUS为等效电流源;α1和α2分别为功率开关管VTFC和VTSC的占空比，令u1=α1,u2=α2作为控制输入。

1.2 单组模型Hamilton实现

(2)

根据系统模型，选取Hamilton能量函数为：

(3)

(4)

2 独立直流微电网协同控制

2.1 多组燃料电池微电网结构图

含多组PEMFC的分布式独立直流微电网如图1所示。每组供电系统是网络中的节点，相互之间由通信网络交流各自状态与参数，构建了分布式协同控制的网络基础[6]。每组系统分别接入各自的直流母线，参考电压Ud=150 V。

图1 含多组燃料电池独立直流微电网结构图

2.2 微电网协同控制

设计分布式协同控制为：

(5)

式中：λi>0为可调节增益;aij为权重系数，若之间有通信连接，则aij=1，否则aij=0。

由此可知，整个闭环系统是全局稳定的。下面，考虑集合

(6)

根据LaSalle’s不变集定理，当t→∞时，系统的解最终收敛到集合E中，即独立直流微电网中的每组PEMFC实现输出同步，证明完毕。

(7)

由式(2)和式(7)可知,当每组PEMFC实现输出一致时，即输出功率为：PFCi=UdiBUS。

3 仿真分析

为验证分布式一致性协调控制的有效性，在MATLAB仿真平台对其进行仿真。五组PEMFC的主要参数如表1所示。

表1 多组PEMFC独立直流微电网主要参数

假设含5组PEMFC的分布式独立直流微电网网络拓扑图如图2所示。每个节点代表图1中单组PEMFC系统，取等效电流源iBUS=7 A。在分布式协同控制的策略下PEMFC的输出功率如图3所示。从图3可以看出,在t=0.15 s时，PEMFC输出功率达到一致约1.05 kW，而理论计算输出功率PFCi=UdiBUSi=1.05 kW，各组PEMFC系统平均承担负荷总功率。

图2 多组PEMFC网络拓扑

图3 PEMFC输出功率响应曲线

从图4可以看出,超级电容的电流iSC在t=0.15 s时达到稳定值0 A，表明各组储能装置既不充电也不放电。从图5可以看出,在t=0.2 s时母线电压相互协调，稳定在参考电压150 V。多组PEMFC独立直流微电网的仿真表明，在分布式协同控制下，整个系统稳定，且PEMFC的输出功率一致。

图4 超级电容电流响应曲线图

图5 直流母线电压响应曲线

4 结束语

为提高偏远地区独立直流微电网稳定性和分布式电源的接入容量，提出分布式协同控制策略。基于Hamilton能量理论将单组PEMFC模型拓展为相互通信的多组PEMFC独立直流微电网，进而在单组稳定的前提下，展开针对多组PEMFC的输出一致性的研究，使得整个多组PEMFC微电网系统稳定，且每组PEMFC的输出功率一致。微电网系统中存在参数扰动和输入扰动等不确定因素，有待进一步的研究。