直流微电网中集成氢能与电池储能的独立运行光伏-热电混合系统的鲁棒功率控制与能量管理

本文提出了一种依据光伏(PV)与热电发电机(TEG)技能的直流微电网体系积分滑模操控器(ISMC)。该微电网将PV与TEG单元作为首要动力，并辅以燃料电池、蓄电池及电解槽构成混合供电体系。为下降各动力单元的运转压力，选用能量办理体系(EMS)完成负荷动态分配。
所提出的操控结构安稳性经过李雅普诺夫安稳性理论进行了严厉验证。在两种不同动态环境场景下展开了全面模仿：（1）随机生成数据；（2）来自摩洛哥东南部地区Errachidia的实在气候数据。与传统滑模操控（SMC）的比照分析表明，在多变气候条件和运转不确定性存在时，ISMC展现出更强的鲁棒性和安稳性。模仿成果证明了闭环体系的渐近安稳性，凸显了所提操控战略的有用性与抗干扰才能。

导言

与化石燃料比较，太阳能发电、风能及余热收回体系可明显减少温室气体排放。经过使用可再生资源并捕获工业流程中的废弃热能，这些技能完成了动力供应多元化，下降了对进口燃料的依赖[1]。此外，太阳能与风能的平准化本钱已大幅下降，使其具有与传统动力相当的本钱竞争力；而余热收回技能经过将损耗能量转化为可用电力，进一步提高了动力功率[2][3]。在此布景下，直流微电网为现代散布式动力体系（特别是以可再生动力和储能为主体的体系）供应了更高效、更精简的处理计划。随着电力电子技能的进步及直流规范的演进，其应用范围预计将不断扩大，特别是在可再生动力并网、数据中心和电动汽车(EV)充电范畴[4][5]。尽管光伏（PV）体系具有诸多优势，但其首要缺点在于对太阳光的依赖性——由于太阳辐照度和光伏组件温度等环境要素的变化，会导致功率输出不安稳。将热电发电机（TEGs）与光伏（PV）器材集成，确实是一种经过同时使用太阳光的光子能量和热能成分来提高太阳能搜集功率的前瞻性计划。相较于独立运转的光伏体系，这种混合体系可以提高整体功率输出和能效[6]。因此，整合互补的可再生动力可提高电混联发电体系（EHGS）的可靠性[7]。由于太阳能与废热收回具有间歇性特性，以光伏热电联产（PV-TEG）体系作为首要动力（MES）的微电网，需依赖辅佐动力（AES）来满意峰值负荷期间的电力需求[8][9]。为处理该问题，一般将蓄电池与超级电容（UCs）等储能体系并联构成混合动力体系[10]。目前，许多研讨探索了光伏/蓄电池/超级电容（PV/Battery/UC）及光伏/热电发生器/蓄电池/超级电容（PV/TEG/Battery/UC）直流微电网[11]，这些体系虽具潜力，但受限于蓄电池容量与可扩展性，难以完成长时间孤岛运转的最优功能。为突破此限制，研讨人员开发了一种新式直流微电网架构，整合燃料电池（FCs）、可再生动力（RES）与蓄电池组。在该装备中，RES作为主供能单元，FCs保证持续发电，蓄电池组则担任短期储能缓冲角色[12]。氢能体系一般由燃料电池（FC）、电解槽及储氢罐构成[13]。电解槽发生的氢气经加压存储后输送至质子交换膜燃料电池（PEMFC）进行发电。此类电-氢混合体系（EGHS）还可装备具有不同拓扑结构的直流/交流变流设备，并与动力供应及存储体系协同运转[14]。
直流-直流变换器在最大化光伏（PV）体系和热电发电机（TEG）的功率提取方面起着至关重要的作用[15]。光伏体系的功率-电压特性由太阳辐照度和温度决定，而热电发电机的输出首要取决于其热端与冷端之间的温差。两种体系在不同电压水平下均出现变化的功率输出，且均在特定最大功率点（MPP）达到峰值功率。为确保最佳功能，最大功率点盯梢（MPPT）技能会动态调整这些体系的作业电压[16]。经过调理各自直流-直流变换器的占空比，MPPT可高效完成光伏与热电发电体系的功率优化，同时精确操控这些辅佐动力的功率输出。
直流微电网的高效运转取决于两个关键研讨应战的处理：电力变换器的底层操控与高层能量办理战略（EMS）。在底层操控层面，电力电子变换器有必要保持安稳的直流母线电压，确保散布式电源间的电流合理分配，并能动态呼应负载变化或毛病，这一般需求选用模型预测或下垂操控等先进操控技能[17]。与此同时，高层EMS在应对可再生动力与需求侧不确定性[18]的条件下，优化发电、储能及负载间的功率活动。另有研讨[19]开发了一种结合卡尔曼滤波（KF）、高斯和滤波（GSF）与人工神经网络（ANNs）的集成状况估计办法，以提高能量办理体系的精度、适应性与功率。为满意电力需求，针对由燃料电池(FC)、光伏(PV)电池、蓄电池(BAT)和超级电容(SC)构成的混合动力体系，本文提出了一种改进的含糊能量办理战略(EMS)，应用于旅游船舶范畴[20]。此外，还提出了一种光伏-热电发电机(PV-TEG)混合体系的智能功率操控战略，经过收回光伏板余热完成能效最大化。该体系选用樽海鞘群优化算法(SSA)处理了局部遮阴条件(PSC)和温度散布不均(NTD)等应战[21]。文献[22]提出了一种氢能/风能/光伏/蓄电池微电网的分散式PID操控器，但其有用性仅限于有限作业区间，且无法处理体系非线性问题。相较而言，文献[23]选用依据含糊逻辑的分数阶PID操控器应用于智能直流微电网，但存在呼应速度慢和稳态差错明显等缺陷。针对混合水-风-光微电网体系，研讨者提出了一种自适应滑模操控（ASMC）战略，其电压调理效果明显且对发电与读档条件的不确定性具有鲁棒性[24]。但是该办法会引发高频开关振动（即颤振现象），可能导致电力电子元件过热，从而发生热应力并缩短使用寿命。文献[12]研讨旨在优化计算中心的混合绿色动力体系，该体系整合了光伏（PV）面板、风力涡轮机、海水淡化设备、电解槽、燃料电池（FC）及热电发电机（TEGs）。但该体系缺乏依据电池荷电状况（SOC）的动力办理战略。相较而言，另一项研讨为光伏直流微电网提出了一种依据快速趋近律的积分终端滑模操控器（FRL-ITSMC）。该微电网以光伏(PV)作为首要动力，燃料电池、蓄电池和超级电容器（不含电解槽）作为辅佐电源。能量办理体系(EMS)经过动态分配各电源之间的Load[25]，避免单一组件过载运转。得益于高能量密度与可疏忽的自放电特性，储氢体系十分适合长时间储能办理，可以有用存储周期性过剩能量；比较之下，蓄电池虽具有快速呼应和高功率优势，但更适用于短期能量缓冲。因此，本体系经过装备蓄电池承当瞬态补偿使命、氢循环回路负责长时间能量平衡，完成两种技能的优势互补，从而提高孤岛运转的可靠性。
本文提出了一种针对独立运转混合可再生动力体系的鲁棒功能量办理体系(EMS)，该体系集成光伏(PV)阵列与热电发电机(TEGs)，并耦合氢储能体系(电解槽与燃料电池)及蓄电池组，用于为直流负载供电。所提出的操控战略确保了在动态工况下的安稳运转，包括太阳辐照度变化、热梯度动摇、负载需求变化、电池荷电状况(SOC)动态以及储氢罐压力变化等多种条件。
该EMS体系运转具有两个首要操控目标：(1) 经过光伏和热电发电机子体系的独立最大功率点盯梢(MPPT)完成功率提取最大化；(2) 经过盯梢制氢体系、燃料电池和蓄电池的电流参考值来保持功率平衡，以满意Load需求。能量办理Strategy由蓄电池荷电状况和储氢罐压力决定，这两个参数会自适应地依据环境条件调整体系切换参数。
为提高动态功能，在底层操控级完成了积分滑模操控（ISMC）。该积分动作消除了传统滑模操控固有的到达阶段，明显改善了暂态呼应与鲁棒性。验证体系时，归纳选用了随机生成的气候数据与实测气候数据——后者经过坐落Errachidia科学技能学院的Davis Weather Vantage Pro2气候站收集。依据MATLAB的模仿表明，在盯梢精度、扰动按捺及多变工况下的体系安稳性方面，所提出的ISMC计划功能明显优于传统滑模操控。
本文结构如下：第2节论述了所有体系组件的数学建模，包括光伏体系、热电发电机体系、质子交换膜燃料电池、电解槽、储氢罐、蓄电池组及相关DC-DC变换器。第3节详细论述了所提出的积分滑模操控（ISMC）战略的设计结构。第4节全面解析了分层能量办理体系架构。第5节对模仿成果进行了深入分析。最终，第6节总结了论文的中心发现并展望了未来研讨方向。