PEMFC-SC混合发电系统的无源非线性控制研究

The Energy Control of Proton Exchange Membrane Fuel Cell - Super Capacitor hybrid power system is research based on the passivity nonlinear theory in this project.Firstly, Hamiltonian model represented by a set of nonlinear differential algebraic equations is established；Secondly, with the passivity theory the controller of hybrid power system is present based on the Hamiltonian model.The energy flow control of the hybrid system is solved on the premise of stability，to reveal the hybrid power system globally stable management mechanism. Thirdly,as the energy controller needs the information on the load resistance,the load resistance is obviously unknown. A nonlinear observer is considered to deal with this problem. Finally,the input equivalent disturbance caused by its inaccurate parameters is online estimated by the strong tracking filter．The control variables will be corrected to compensate effects oftime varying parameters and unknown disturbance.A novel adaptive passive controller-observer method is present. The method can make bus voltage stability, load fast tracking, transient stability, and reaches the purpose of multi-objective control. On the basis of the theoretical results, the conditions of fuel cell hybrid power system passive nonlinear control which can be achieved are explored with dSPACE rapid control prototyping. This project is of great significance to provides the basis for the design and operation of the specific hybrid energy control system.

本项目将质子交换膜燃料电池-超级电容混合发电系统作为研究对象，基于无源性理论对系统进行能量控制研究。首先，建立以非线性微分-代数方程描述的系统哈密顿模型；其次，基于哈密顿模型，应用无源性方法研究混合能量控制策略，从稳定性角度出发，解决系统能量流控制问题，研究系统全局稳定下的混合能量管理机制；再次，考虑负载未知，设计非线性观测器为无源性控制器提供输入信息；最后，采用强跟踪滤波器在线估计出由于系统参数不准确所引起的等价输入干扰，修正控制量，以补偿时变参数和未知干扰信号对性能的影响，提出一种新型基于观测器的自适应无源控制方法，实现系统母线电压稳定、负载快速跟随、提高系统暂态稳定多个控制目标。在理论结果的基础上，基于dSPACE快速控制原型技术，探讨基于无源性理论的混合发电系统的可实现条件，为建立具体混合能量控制系统的设计和运行提供依据。

本项目将质子交换膜燃料电池-超级电容混合发电系统作为研究对象，基于无源性理论对系统进行能量控制研究。首先，建立了混合系统的端口受控哈密顿（PCH）模型，设计了一种基于互联与阻尼配置（PBC）策略。考虑了负载功率需求和超级电容荷电状态对混合系统功率分配策略的影响，综合考虑了混合系统的多种工作模式，并从理论上证明了闭环系统的渐进稳定性。考虑到系统参数扰动等原因，PBC控制器会在直流母线电压上产生稳态误差。为了消除这一稳态误差，设计了外环PI控制器调节直流母线电压。仿真结果表明，PBC-PI控制策略可合理调节系统功率平衡，稳定直流母线电压；并改善闭环系统对于参数扰动的鲁棒性。其次，为了提高母线电压稳定速度，增强抗干扰性，结合有限时间控制理论和无源控制理论，针对无源控制中渐进收敛问题，运用有限时间控制理论，引入最终吸引子，改进渐进收敛性能为有限时间收敛提出一种新的有限时间无源控制方法。并考虑负载未知，设计有限时间观测器为无源性控制器提供输入信息； 最后, 考虑系统存在不确定性因素和随机因素的影响，实际系统参数会发生变化，导致控制器参数与实际参数不一致，产生控制偏差。设计了一种基于等价输入干扰的自适应无源控制方法。利用强跟踪滤波器在线估计出系统参数变化所引起的等价输入干扰，再由前馈补偿器修正系统的控制量，仿真结果表明，当系统参数发生变化时，自适应无源控制的混合发电系统具有良好的鲁棒性和控制性能。在理论结果的基础上，基于直流电源、DC-DC变换器以及实时开发平台试验验证了控制系统的有效性。