共享-03为文之道参考

主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结环境污染能源与环境污染能源能氢能风能生物质能潮汐能新能源新能源新能源的应用负载DC-DCDC-DCDC-DCDC-DCDC-DC

/DC-ACGAC-DC直流母线能

发电单元风力发电单元电池发电单元蓄电池储能单元基于母线直流母线的新能源联合供电系统负载多输入变换器DC-DC/DC-ACGAC-DC能

发电单元风力

发电单元电池发电单元蓄电池储能单元基于多输入变换器的新能源联合供电系统基于双输入Buck变换器的氢光联合供电系统能电池电池双输入Buck变换器负载能电池电池Q1D1Q2

D2LfVoVin2(Vfc)Cf

RLdiLfIin2IoFCVin1(vpv)Iin1Cin1Cin2ipvPVifc双输入Buck变换器主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结能电池的工作原理上电极顶层(P

区)P-N结基体(N区)底电极减反射层+4P

区N

区+4+4+4+4+4+4+4+3+4+4+4+4+4+4+4+4+5光子RloadipvipvIDIphRshRsiLoadvpv

RLoad能电池等效电路能电池的输出特性ph

Dpvi

I

I

vpv

ipv

RsRshD

satcq

(vpv

ipv

Rs

)

I

I

expA

k

T1ipvIDIphRshRsiLoadvpv

RLoadIVocVmIsc

ImPMV

Vm:最大功率点电压

pv

q

v

I

I

exp1

Ac

k

T

ipv

ph

satI

phsatscIqIi

I

exp

vpv sc

1pv

c

A

k

T1satIIscC

2C

q

Ac

k

T令ipv

Isc

1

C1

exp(C2

vpv

)求得scIIsc

ImC1

exp(C2

Vm

)2sc

mC

ln

1

I

I

Vm

Voc

Isc

根据ipv

=

0，vpv

=

Vocipv

=Im，vpv

=Vm

(最大功率点处)(开路时)I

:短路电流scVoc

:开路电压Im

:最大功率点电流光强和温度对能电池的输出特性的影响I

(A)0光强增强P

(W)V

(V)

0

V

(V)光强增强0I

(A)温度上升P

(W)V

(V)

0

V

(V)温度上升温度不变，光强变化时I-V曲线和P-V曲线温度不变，光强变化时I-V曲线和P-V曲线ipv

Isc

1

C1

exp(C2

vpv

)1sc

m2

mI

IC

exp(C

V

)2Isc1sc

m

I

I

C

lnVm

Voc

Isc

sc

sc

_

ref

(1

a

T

)SI

ISrefSm m

_

ref

(1

a

T

)SrefI

IVoc

Voc

_

ref

lnVm

Vm

_

ref

ln(e

b

S)

(1

c

T

)其中

ΔT

=

T

–

TrefΔS

=

S

–

Srefa,b,c分别为补偿系数11const11ln(in)in2in11111

111constVoc_refIsc_ref

constSrefTref

constIm_ref

constVm_ref

const-111in1/in2ln(in)in2in1in1/in211e^inin2

in1e^in111Control

to

CurrentcpcnipvVoltage

to

Control

InterfaceSTvpvconstbconsteconst

a

1const

c

ΔSΔTS/Srefin1/in2VmIscImVocC1C2能电池的仿真模型预设电池参数任意光强和温度下电池参数能电池仿真模型的仿真结果STipv温度光强PWLRLoadSolar

Cell1000

W/m2800

W/m2600

W/2400

W/m2200

W/m2)ipv

(A)6.05.04.03.02.01.00.005

10

15

20

25

30

35ppvW)120100806040200ipv

(A)vpv

(V)ipv

(A)本文采用的是无锡尚德能电力 生产的单晶硅 能电池组件，其产品参数如下(光强为1000

W/m2，温度为25℃)：Voc_ref

=

43.2

VIsc_ref

=

4.9

AIm_ref

=

4.51

AVm_ref

=

34.4

V阳极阴极H2

2H

2e2

221

O

2H

2e

H

O外部电路催化层阳o阴o电解质e－阴离子阳离子(或)少量电子燃料氧化剂e－电池的工作原理21

O2

H2

H2O

+热+电能IV理论电动势活化极化区欧姆极化区浓差极化区过电位V

Vr

vact

vohm

vconVr

－理论电动势vact

－活化过电位vohm－欧姆过电位vcon－浓差过电位理论电动势Vr

E

2F

0.85

103

(T

298.15)活化过电位i0vact

A

lnA为活化过电位常量i0为 电池交换电流in为 电池

电流电池的输出特性欧姆过电位vohm

i

fc

in

RintRint表征电池内阻抗confc

nii

iv

B

ln1

L

浓差过电位B为活化过电位常量iL为 电池极限电流i0v

fc

Vr

A

ln

fc

i

fcn

电池输出电压11to

VoltagevpvmControl

to

VoltagevpvmControl

to

VoltagevmControlto

Voltagevpvpvmln(in)ln(in)in1/in2in1/in2111cpcnvfcControl

to

Voltagennnnin

constVr

constRint

constA

consti0

constB

constiL

constin2in2in1in1Vrvohm

Controlvactvcon电池的仿真模型预设电池参数电池单体串联个数Fuel

CellPWLRLoadvfc电池仿真模型的仿真结果实验曲线仿真曲线0.01.02.0

i

(A)

3.0fc4.05.0100200300400500vfc

(V)Vr0.85VRint0.004Ωin0.1AA0.05ViL5.02AB0.03Vi00.08An480电池单体参数本文采用的是限公司生产的件，它由480个神力有电池组电池单体串联组成，空载输出电压为400

V，最大输出电流为5A，工作温度为40

℃，质子交换膜面积为50

cm2。查表型仿真模型的建立Solar

CellLook-up

Tablein1in2out

电流输出光强输入Fuel

CellLook-up

Table电流输入

inout

电压输出能电池电池05.04.03.02.01.00.050

100

150

200

250

300

350vpv

(V)ipv(A)实验曲线仿真曲线5.04.03.02.01.0ifc

(A)1000.0500400300200vfc(V)实验曲线仿真曲线查表型仿真模型仿真结果能电池电池主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结系统的三种工作模式双输入Buck变换器负载能电池电池负载能电池双输入Buck变换器双输入Buck变换器负载能电池电池能电池的最大输出功率小于负载功率(I)能电池的最大输出功率大于负载功率(II)能电池不输出功率(III)负载能电池电池双输入Buck变换器QQ21D1D2LfVoVin2(Vfc)Cf

RLdiLfIin2IoPVFCVin1(vpv)Iin1Cin1Cin2ipvifctttv0iLf0Q10Q20ABt双输入Buck变换器的工作原理Q1Q2D1D2LfVoVin2f

C

RLdiLfIin2IoVin1Iin1Vin1Q1Q2D1D2VoVin2LfiLfABVin1Q1Q2D1D2VoVin2LfiLfABVin1Q1Q2D1D2VoVin2LfiLfABVin1Q1Q2D1D2Vo

Vin2LfiLfABQ1和Q2同时导通Q1导通，Q2关断Q2导通，Q1关断Q1和Q2同时关断t2tttv0iLf0t0

t1tQ10Q20ABIoVin1

Vin2Vin1VoTs双输入Buck变换器的工作原理主要工作波形Vin1Q1Q2D1D2VoVin2LfiLfABt0时刻~t1时刻t1t2tttv0iLf0

t0tQ10Q20ABIoVin1

Vin2Vin1VoTs双输入Buck变换器的工作原理主要工作波形双输入Buck变换器的等效电路t1时刻~t2时刻Vin1Q1Q2VoVin2LfiLfAD1D2Bt1t2tttv0iLf0

t0tQ10Q20ABIoVin1

Vin2Vin1VoTs双输入Buck变换器的工作原理主要工作波形双输入Buck变换器的等效电路t2时刻~Ts时刻Vin1Q1Q2D1D2Vo

Vin2LfiLfABVPmIPIin1

yyin2I

双输入Buck变换器的输入输出关系Vo

Vin1

Dy1扰动观察法的工作原理

恒压控电导增量法

扰动观察法DC-DC变换器负载MPPT控制器ipv

vpvv_ref信号电压调节器V1P1VIVocVmIsc

ImPΔVVm

V2P2ΔV扰动观察法的程序流程图开始采样vpv(k)和ipv(k)计算ppv(k)=vpv(k)×ipv(k)ppv(k)>ppv(k-1)否是是返回否ipv(k)

>

ipv(k-1)是i_ref

=

i_ref

+∆Ii_ref

=

i_ref

–∆Ii_ref

=

i_ref

+∆Ii_ref

=

i_ref

–∆Iipv(k)

>

ipv(k-1)否控制能电池输出电流双输入Buck变换器负载能电池电池QQ21D1D2LfVoVin2(Vfc)CfRLdiLfIin2IoPVFCVin1(vpv)Iin1Cin1Cin2ipvifc门极

驱动电路0VQ2vo_refvo_

fiin1_refipv_mMPPT控制器Q1门极驱动电路电路ipv_

fvpv_

f电流调节器电压调节器Dcipv_

f双输入Buck变换器控制框图双输入Buck变换器负载能电池电池能电池和电池同时供电(工作模式I)0Vipvv_

fQ1门极

驱驱动电路路电电路MPPPT控控制器器iippv_

f

vvppv_f电流

调调节器器ipvv

miin1_ref门极驱驱动动电路路Q2vo_refvo

f电电路电电压压

调调节节器器VPmIPVmVocIsc

Im能电池工作情况Po(ipv_m)负载能电池双输入Buck变换器ipvv_

ffQ1门极

驱驱动电路路电电路电流

调调节器器MPPPT控控制器器iippv_

f

vvppv_

fipvv

miin1_refvo_refvo

f电电压压

调调节节器器门极驱驱动动电路路Q2电电路能电池单独供电(工作模式II)0VDcVPmIPVmVoc能电池工作情况Po(ipv_m)Isc

Im(iin1_ref)电池负载能电池电池双输入Buck变换器v

f门极驱驱动动电路路P控

器电电路驱

路W电ip

vp调

器v_Q2vo_refvo

f电电压压

调调节节器器电池单独供电(工作模式III)能电池工作情况PoV主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结s·Lf+–RLd+vˆo

(s)+–+–+–RCfABvˆin1(s)vˆin2

(s)*

*Io

dˆy1(s)ˆiin1(s)iin2

(s)1:

Dy1

1:

Dy2*

*Io

dˆy2

(s)ˆVin1

dy1(s)ˆVin2

dy2

(s)Lfiˆ(s)1/(s·Cf)双输入Buck变换器的小信号电路模型源同时供电时QQ21D1D2LfVoVin2CfRLdiLfIin2Io1#源2#源Vin1Iin1+–Bvˆin2

(s)iin2

(s)invˆin1(s)+

–Io

dˆy1(s)1:

Dy2*

*Io

dˆy2

(s)1源同时供电(工作模式I)vˆAB

(s)

dˆy1(s)

Vin1

dˆy2

(s)

Vin2

Dy1

vˆin1(s)

Dy2

vˆin2

(s)RLd

[RC

1/(s

C

f

)]ffLdRLd

RC

1/(s

C

f

)vˆo

(s)

vˆAB

(s)

RLd

[RC

1/(s

C

f

)]fs

Lf

R

RC

1/(s

C

f

)ffCR

1/(s

C

f

)

RLdLfiˆoCf(s)

vˆ

(s)

fLd

1/(s

C

)

RRin1o

y1iˆ(s)

I

dˆ(s)

iˆ

(s)

DLf

y1G22(s)iˆY

(s)

in1

G21(s)

vˆo

(s)

+–*

*+–vˆin1(s)vˆin2

(s)in2(s)Io

dˆy2

(s)y21:

D1#源同时供电时B1/(s·Cf)1#源单独供电(工作模式II)+–+–in1

y1*

*

Vin2

y2

dˆ

(s)

V

dˆ

(s)Io

dˆy1(s*)*+–ivˆin1(s)in1iˆ(s)Io

dˆy1(s)1:

Dy1Q1Q2D1D2VoVin2CfRLdiLfIin2IoVin1Iin11#源2#源Lf–*

*–vˆin1(s)+in2vˆ

(s)+in2(s)Io

dˆy2

(s)y21:

DIo

dˆy1(s*)*+–ivˆin2

(s)iinn12iiˆ

((ss))o

y2I

dˆ

(s)11::

DDyy122#源同时供电时Bf1/(s·C

)2#源单独供电(工作模式III)+–+–in1

y1*

*

Vin2

y2

dˆ

(s)

V

dˆ

(s)QQ21D1D2LfVoVin2CfRLdiLfIin2Io1#源2#源Vin1Iin1源同时供电(工作模式I)G12(s)G21(s)++

+Gcr(s)Gvr(s)Gcf

(s)–++GGin1_

refiˆ(s)vˆo

_

ref

(s)in1_

fiˆ(s)y1dˆ(s)–vˆo

_

f

(s)dy2

(Gvf

(s)s)in1iˆ(s)vˆo

(s)G12

(s)

dˆy1(s)

iˆ(s)G11(s)

in1

G22

(s)

dˆy2

(s)

G21(s)

vˆo

(s)

G21(s)G12(s)++

+Gcr(s)Gvr(s)Gcf

(s)Gvf

(s)–+GGin1_

refiˆ(s)in1_

fiˆ(s)y1dˆ(s)dy2

(s)in1iˆ(s)vˆo

(s)–源同时供电(工作模式I)−GA(s))

G

(s)

G11(s)

G21(s)

GA

(s)

G12

(s)Ti

_AGvr

(s)

G(s)

Gvf

(s)G

(s)

1

Gvr

(s)

G(s)

Gvf

(s)

G22

(s)G11(s)G22(s)G12(s)++G21(s)+

+Gcr(s)Gvr(s)Gcf

(s)Gvf

(s)+–G

(s)G

(s)vˆo

_

f

(s)vˆo

_

ref

(s)y2dˆ(s)in1iˆ(s)dˆy1(s)vˆo

(s)–源同时供电(工作模式I)−GB(s)Tv

_

Gvr

(s)

GPWM

(s)

Gvf

(s)

G22

(s)

G12

(s)

GB

(s)

G21(s)BG

(s)

Gcr

(s)

G

(s)

Gcf

(s)1

Gcr

(s)

G

(s)

Gcf

(s)

G11(s)Gcr(s)Gvr(s)Gvf

(s)–G

(s)o

_

fvˆ

(s)G11(s)–iˆ

(s)in1_

fGcf

(s)+o

_

refvˆ(s)+in1_

refiˆ(s)ˆdy1(s)in1iˆ(s)vˆo

(s)G21(s)1#源单独供电(工作模式II)Ti

_

2

(s)

GcrGPWM

(s)

G11(s)

Gcf

(s)21(s)

G21(s)

Gvf

(s)

Gvr(s)

Gcr(s)

G1

Gcr

(s)

G

G

(s)

Gcf

(s)vfTv

_

2

(s)

Gvr(s)

Gcr

(s)

G

(s)

G(s)

G

(s)1

Ti

_2

(s)Gvr(s)+–vˆo

_

f

(s)Gvf

(s)vˆo

_

ref

(s)vˆo

(s)G

(s)G22(s)dˆy2

(s)2#源单独供电(工作模式III)Tv

_

3

(s)

Gvr

(s)

G(s)

G22

(s)

Gvf

(s)在工作模式II下设计

电流调节器和电压调节器

否

开始是否在工作模式I下验证电流调节器和电压调节器是否满足要求是完成在工作模式III下验证电压调节器是否满足要求闭环调节器设计流程vrp2sG

(s)

k

ki2crp1G

(s)

k

ki1s0306090-150-309060300-30-60-90-120Gain

(dB)deg

(

)补偿后补偿前110103104105100f(Hz)1209060300-30-60-90300-30-60-90-120-150Gain

(dB)deg

(

)-180110104

105补偿后补偿前-2101Gain

(dB)deg

(

)1209060300-30-60-90300-30-60-90-120-150-180补偿后补偿前10

100

103

104

105f

(Hz)工作模式III-3000306090-1201-90-60-3010100

103

104

105f(Hz)Gain

(dB)deg(

)1209060300-30-60-1501-120-9010100

103

104

105f(Hz)Gain

(dB)deg

(

)工作模式I工作模式II补偿后环路增益函数的幅频、相频曲线fc=20kHzγ

=84°fc=10kHzγ

=100

103f(Hz)135°fc

=20kHzγ

=95°fc

=γ6=.26k2H°zcf

=7kHzγ

=77°电流环电压环主要内容课题研究背景能电池模型与

电池模型氢光联合供电系统的能量管理策略氢光联合供电系统的闭环设计氢光联合供电系统的仿真与实验验证总结Solar

CelloutLook-up

Table

in1in2DCVcctl074VeeCompVcctl074VccVeeDCCompVccipvipv_mVp1

Vm1

Vp2Vm2ipv

vpvMPPTControllerVCVSvpvmVCVSG1S1G2S2Vcc

Vee+6.5 -2iin1_refvovo_refCCVScp

cnipvvpvvoLfCfRLdCCVScp

cnQ2G2Cin2S2D1D2VCVS

vpvm主电路Q1

AS1vp

G1VCVSvm

Cin1BFuel

CellLook-up

Tableinout光强控制电路

vpvmDc

DC能电池电池双输入Buck变换器仿真原理图及系统原理样机电流调节器电流调节器输出电压Vo

=180

Vo额定功率P

=750

Ws开关频率f

=100

kHzvo

(V)ipv

(A)vpv

(V)

ppv

(W)io

(A)M3:

vo

[200

V/div]M4:

io[5

A/div]C4M3M4Time:

[200

ms/div]F1:

ppv

[400

W/div]C3:

vpv

[200

V/div]F1C4:

ipv

[2

A/div]C3仿真波形实验波形光强为500W/m2时系统稳态波形vo

(V)vfc

(V)io

(A)C3:

vfc

[100

V/div]M4:

io[5

A/div