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申请/专利权人：武汉理工大学

摘要：本发明涉及混合储能技术领域，公开了一种基于分数阶滑模的混合储能系统下垂控制能量管理方法，混合储能系统包括与直流母线连接的燃料电池、锂电池、超级电容和负载，根据超级电容的荷电状态SOCSC，实时判断直流母线的负载功率Pload与系统最大输出功率和最大回收功率的关系，分别根据电压与功率的下垂特性和最大功率运行得到燃料电池、超级电容、锂电池的参考功率，进行功率分配，基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为对系统稳定性的影响，形成闭环控制。本发明基于分数阶滑模的混合储能系统下垂控制能量管理方法，在动态工况或面对干扰的情况下，对燃料电池、超级电容和锂电池电流参考值稳定跟踪，并维持直流母线电压稳定。

主权项：1.一种基于分数阶滑模的混合储能系统下垂控制能量管理方法，使用的混合储能系统包括与直流母线连接的燃料电池、锂电池、超级电容和负载，燃料电池通过单向DCDC变换器和负载连接，锂电池和超级电容均通过双向DCDC变换器和负载连接，其特征在于：根据超级电容的荷电状态SOCSC，实时判断直流母线的负载功率Pload与系统最大输出功率和最大回收功率的关系，分别根据电压与功率的下垂特性和最大功率运行得到燃料电池、超级电容、锂电池的参考功率，进行功率分配，基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为对系统稳定性的影响，形成闭环控制；具体包括如下步骤：A数据采集：实时采集超级电容的荷电状态SOCSC和锂电池的荷电状态SOCb，燃料电池的输出电压Vfc和输出电流Ifc、超级电容的输出电压Vsc和输出电流Isc、锂电池的输出电压Vb和输出电流Ib、直流母线电压Vdc和负载功率Pload；B最大功率预测：根据燃料电池、超级电容和锂电池的特性预测混合储能系统的最大输出功率和最大回收功率；C能量管理：根据超级电容的荷电状态SOCSC和直流母线的负载功率Pload进行功率分配，得到燃料电池的参考功率PFC_ref、超级电容的参考功率PSC_ref、锂电池的参考功率Pb_ref；D分数阶滑模：基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为对系统稳定性的影响，形成闭环控制；所述步骤B中，进行最大功率预测时，基于燃料电池可以长时间稳定工作的特性，在预测期间，其提供的最大输出功率保持不变，为PFCmax；基于锂电池的电压稳定，其最大充放电功率与SOCb无关，取得其最大输出功率为Pbmax，最小回收功率Pbmin；基于超级电容能量密度低，电压会随着充放电过程逐渐衰减的特性，超级电容的输出功率与其荷电状态SOCSC的关系如下所示：放电过程：充电过程：其中，PSCD为超级电容在放电过程中的最大输出功率，放电过程中，SOCSC0为超级电容输出功率与SOCSC成非线性关系的点，当SOCSC≥SOCSC0时，超级电容最大输出功率恒定为PSCmax，PSCC为超级电容在充电过程中的最大回收功率，充电过程中，SOCSC1为超级电容回收功率与SOCSC成非线性关系的点，当SOCSC≥SOCSC1，超级电容最大回收功率恒定为PSCmin，a1、b1、c1、a2、b2、c2为系数；由此，系统最大输出功率PD＝PSCD+Pbmax+PFCmax，系统最大回收功率PC＝PSCC+Pbmin；所述步骤C中，进行功率分配时，判断直流母线的负载功率Pload是否大于0：若Pload大于0，则判断Pload与系统最大输出功率PD的关系，若Pload≤PD，则基于分数阶滑模的下垂控制进行能量管理，若Pload＞PD，则采用最大功率运行的能量管理，即PFC_ref＝PFCmax，Pb_ref＝Pbmax，PSC_ref＝PSCD；若Pload等于0，则负载无功率需求，不进行功率分配，并持续判断Pload是否大于0，直到Pload大于0，再进行功率分配；基于分数阶滑模的下垂控制进行能量管理时，使用锂电池输出功率补充缺额功率，锂电池的参考功率Pb_ref＝Pload-PFC_ref-PSC_ref，直流母线电压Vdc和混合储能系统输出功率PHESS存在如下式的下垂关系：PHESS＝VfcIfc+VbIb+VscIscVdc＝Vdc_ref-βPHESS式中，Vdc_ref为直流母线电压参考值，β为下垂系数，燃料电池和超级电容的输出功率如下所示：放电：PSCFC_ref＝Vdc_ref-Vdc·mSCFC，mSCFC＝mFCD+mSCD充电：式中，PSCFC_ref为放电过程中燃料电池参考功率PFC_ref和超级电容参考功率PSC_ref之和，mSCFC为对应的下垂系数，mFCD和mSCD分别为燃料电池和超级电容在放电过程中的下垂系数，PFCmin为充电过程中燃料电池的最小输出功率，mSC为超级电容在充电过程中的下垂系数；超级电容调整因子如下所示： 式中，RD和RC分别为放电与充电状态下的超级电容的调整因子，SOCSC、SOCSCL和SOCSCH分别为超级电容SOC的实时值、最小值以及最大值，放电过程中，燃料电池和超级电容的下垂系数分别表示为： 式中，C1为常数，在下垂控制中，系统负载功率的分配结果为放电：充电：所述步骤D中，基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为时，计算燃料电池侧电流分数阶滑模控制率，包括如下步骤：D1-1燃料电池侧单向DCDC变换器为Boost变换器，超级电容和锂电池侧双向DCDC变换器为Buck-Boost变换器，选取PWM的占空比D1、D23、D45为分数阶滑模控制器的控制对象，用于控制IGBT的开关，其中D1为燃料电池侧Boost变换器中IGBTQ1的占空比，超级电容和锂电池侧Buck-Boost变换器有两个开关管，D23、D45的定义如下： 式中，D2、D3为超级电容侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ2和Q3的占空比，D4、D5为锂电池侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ4和Q5的占空比；D1-2根据混合储能系统的拓扑结构和基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律可得如下的状态方程： 式中，R1为燃料电池侧Boost变换器中的电阻值，R2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电阻值，R3为燃料电池侧Buck-Boost变换器中的电阻值，L1为燃料电池侧Boost变换器中的电感值，L2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电感值，L3为锂电池侧Buck-Boost变换器中的电感值；D1-3基于步骤C中得到的燃料电池的参考功率PFC_ref、超级电容的参考功率PSC_ref和锂电池的参考功率Pb_ref分别得到对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref： D1-4使燃料电池的输出电流Ifc、超级电容的电流Isc和锂电池的输出电流Ib跟踪预期对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref，取得燃料电池、超级电容和锂电池的电流误差变量e1、e2、e3：e1＝Ifc-Ifc_refe2＝Isc-Isc_refe3＝Ib-Ib_ref电流误差变量的导数如下： D1-5使用Riemann-Liouville微分定义为分数阶算子的定义，给定函数ft的Riemann-Liouville分数阶微分的定义如下： 式中，n-1β≤n，且n＝[β]，将分数阶算子简写为D1-6定义如下分数阶滑模面： 式中，λ1和λ2为常数，e为电流误差变量；D1-7对燃料电池进行分数阶滑模控制，燃料电池的分数阶滑模面如下： D1-8将燃料电池的状态方程 简写为： u＝1-D1考虑外部干扰，进一步将燃料电池的状态方程写成如下式： 式中h为复合不确定度；D1-9忽略外部干扰，在燃料电池的分数阶滑模面中引入S1＝0，用u1代替u，结合燃料电池的状态方程和电流误差变量导数可得： 为了达到滑动面，设计一个切换鲁棒项： 式中，K1为常数，设计如下连续控制律：u＝u1+u2；D1-10将带入中可得： D1-11带入连续控制律可得： D1-12得到S1的导数： D1-13假设复合不确定度h的变化率是有界的，因此存在一个正数H满足下面不等式： D1-14燃料电池在中的状态轨迹可以通过u＝u1+u2中的连续控制率强迫到滑模面S1＝0，并且在此之后保持在滑模面上；D1-15定义Lyapunov函数： D1-16取V1的导数，结合得到： 当BK1H时，V1的导数小于等于0，此外，当λ1和λ2满足Hurwitz条件时，燃料电池的电流误差变量e1的极限也将趋近于0；D1-17得到燃料电池侧电流分数阶滑模控制率D1： 或者，所述步骤D中，基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为时，计算超级电容侧电流分数阶滑模控制率，包括如下步骤：D2-1燃料电池侧单向DCDC变换器为Boost变换器，超级电容和锂电池侧双向DCDC变换器为Buck-Boost变换器，选取PWM的占空比D1、D23、D45为分数阶滑模控制器的控制对象，用于控制IGBT的开关，其中D1为燃料电池侧Boost变换器中IGBTQ1的占空比，超级电容和锂电池侧Buck-Boost变换器有两个开关管，D23、D45的定义如下： 式中，D2、D3为超级电容侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ2和Q3的占空比，D4、D5为锂电池侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ4和Q5的占空比；D2-2根据混合储能系统的拓扑结构和基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律可得如下的状态方程： 式中，R1为燃料电池侧Boost变换器中的电阻值，R2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电阻值，R3为燃料电池侧Buck-Boost变换器中的电阻值，L1为燃料电池侧Boost变换器中的电感值，L2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电感值，L3为锂电池侧Buck-Boost变换器中的电感值；D2-3基于步骤C中得到的燃料电池的参考功率PFC_ref、超级电容的参考功率PSC_ref和锂电池的参考功率Pb_ref分别得到对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref： D2-4使燃料电池的输出电流Ifc、超级电容的电流Isc和锂电池的输出电流Ib跟踪预期对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref，取得燃料电池、超级电容和锂电池的电流误差变量e1、e2、e3：e1＝Ifc-Ifc_refe2＝Isc-Isc_refe3＝Ib-Ib_ref电流误差变量的导数如下： D2-5使用Riemann-Liouville微分定义为分数阶算子的定义，给定函数ft的Riemann-Liouville分数阶微分的定义如下： 式中，n-1β≤n，且n＝[β]，将分数阶算子简写为D2-6定义如下分数阶滑模面： 式中，λ1和λ2为常数，e为电流误差变量；D2-7对超级电容进行分数阶滑模控制，超级电容的分数阶滑模面如下： D2-8将超级电容的状态方程 简写为： u＝D23考虑外部干扰，进一步将超级电容的状态方程写成如下式： 式中h为复合不确定度；D2-9忽略外部干扰，在超级电容的分数阶滑模面中引入S2＝0，用u1代替u，结合超级电容的状态方程和电流误差变量导数可得： 为了达到滑动面，设计一个切换鲁棒项： 式中，K2为常数，设计如下连续控制律： D2-10将带入中可得： D2-11带入连续控制律可得： D2-12得到S2的导数： D2-13假设复合不确定度h的变化率是有界的，因此存在一个正数H满足下面不等式： D2-14超级电容在中的状态轨迹可以通过u＝u1+u2中的连续控制率强迫到滑模面S2＝0，并且在此之后保持在滑模面上；D2-15定义Lyapunov函数： D2-16取V2的导数，结合得到： 当BK2H时，V2的导数小于等于0，此外，当λ3和λ4满足Hurwitz条件时，超级电容的电流误差变量e2的极限也将趋近于0；D2-17得到超级电容侧电流分数阶滑模控制率D23： 或者，所述步骤D中，基于分数阶滑模控制解决系统非线性行为时，计算锂电池侧电流分数阶滑模控制率，包括如下步骤：D3-1燃料电池侧单向DCDC变换器为Boost变换器，超级电容和锂电池侧双向DCDC变换器为Buck-Boost变换器，选取PWM的占空比D1、D23、D45为分数阶滑模控制器的控制对象，用于控制IGBT的开关，其中D1为燃料电池侧Boost变换器中IGBTQ1的占空比，超级电容和锂电池侧Buck-Boost变换器有两个开关管，D23、D45的定义如下： 式中，D2、D3为超级电容侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ2和Q3的占空比，D4、D5为锂电池侧的Buck-Boost变换器中的IGBTQ4和Q5的占空比；D3-2根据混合储能系统的拓扑结构和基尔霍夫电流定律、基尔霍夫电压定律可得如下的状态方程： 式中，R1为燃料电池侧Boost变换器中的电阻值，R2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电阻值，R3为燃料电池侧Buck-Boost变换器中的电阻值，L1为燃料电池侧Boost变换器中的电感值，L2为超级电容侧Buck-Boost变换器中的电感值，L3为锂电池侧Buck-Boost变换器中的电感值；D3-3基于步骤C中得到的燃料电池的参考功率PFC_ref、超级电容的参考功率PSC_ref和锂电池的参考功率Pb_ref分别得到对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref： D3-4使燃料电池的输出电流Ifc、超级电容的电流Isc和锂电池的输出电流Ib跟踪预期对应的燃料电池的参考电流Ifc_ref、超级电容的参考电流Isc_ref和锂电池的参考电流Ib_ref，取得燃料电池、超级电容和锂电池的电流误差变量e1、e2、e3：e1＝Ifc-Ifc_refe2＝Isc-Isc_refe3＝Ib-Ib_ref电流误差变量的导数如下： D3-5使用Riemann-Liouville微分定义为分数阶算子的定义，给定函数ft的Riemann-Liouville分数阶微分的定义如下： 式中，n-1β≤n，且n＝[β]，将分数阶算子简写为D3-6定义如下分数阶滑模面： 式中，λ1和λ2为常数，e为电流误差变量；D3-7对锂电池进行分数阶滑模控制，锂电池的分数阶滑模面如下： D3-8将锂电池的状态方程 简写为： u＝D45考虑外部干扰，进一步将锂电池的状态方程写成如下式： 式中h为复合不确定度；D3-9忽略外部干扰，在锂电池的分数阶滑模面中引入S3＝0，用u1代替u，结合锂电池的状态方程和电流误差变量导数可得： 为了达到滑动面，设计一个切换鲁棒项： 式中，K3为常数，设计如下连续控制律：u＝u1+u2；D3-10将带入中可得： D3-11带入连续控制律可得： D3-12得到S3的导数： D3-13假设复合不确定度h的变化率是有界的，因此存在一个正数H满足下面不等式： D3-14锂电池在中的状态轨迹可以通过u＝u1+u2中的连续控制率强迫到滑模面S1＝0，并且在此之后保持在滑模面上；D3-15定义Lyapunov函数： D3-16取V3的导数，结合得到： 当BK3H时，V3的导数小于等于0，此外，当λ5和λ6满足Hurwitz条件时，锂电池的电流误差变量e3的极限也将趋近于0；D3-17得到锂电池侧电流分数阶滑模控制率D45：

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