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基于混合光伏/PEMFC/NEC锂电池可再生能源系统的微电网应用智能控制策略与电力管理
发布时间：2026-07-28 20:04:32 点击： 次
对可再生能源需求的增长推动了集成燃料电池（FC）和光伏（PV）系统的混合微电网的发展。然而，这些源的固有变异性，加上独立微电网中的动态负载条件，常导致功率不平衡、能源分配效率低下和直流母线电压波动，从而威胁系统的稳定性和韧性。为应对这些挑战，本文提出了一套稳健的控制策略，用于集成FC、光伏、本地交流/直流负载和电动汽车电池（EVB）的独立交流/直流混合微电网。本研究提出了一种混合模糊逻辑与比例积分控制（FLC-PI）的方案，以优化质子交换膜燃料电池（PEMFC）的能量收集并提升供电稳定性;基于蚂蚱优化算法的最大功率点追踪方法（MPPT）以提升光伏功率跟踪效率;以及EVB的智能线性主动干扰抑制（LADRC）控制策略，确保混合微电网中快速的直流母线电压调节。所提的混合FLC–PI级联反应稳定PEMFC功率，响应速度快达0.004秒，零超冲，且阻碍能力强;基于GHO的MPPT提升了PV跟踪，响应率为0.007秒，超调率为10.33%，相对误差为0.57%，能量产额为225.87焦耳;基于LADRC的EVB控制器以低稳态振荡在0.1秒内调节直流总线电压。此外，所提控制策略优于现有方法，实现了更高的稳定性、更快的响应和更高的效率。它最大化可再生能源的使用，利用电动汽车电池动态管理负载和太阳能波动，提升独立直流微电网的韧性和可靠性。
简介
过去十年中，提出了多种MPPT技术以增强光伏发电。然而，许多现有方法仍存在诸如稳态振荡、部分着影条件下精度下降以及在快速环境变化下稳定性有限等缺点。为了提高跟踪效率和GMPP检测，已有多种增强型MPPT方案被报道。例如，参考文献[7]提出了一种改进的间接扰动与观测基于PI（MIP&O-PI）的MPPT集成于LADRC的混合型光伏-BESS-电网直流快充站，实现快速收敛和提升全局电力提取，并实现硬件在环验证;然而，其性能仍对PI参数调优敏感，在高度动态辐照度或非理想运行条件下可能退化。参考文献[8]引入了一种基于MAJO的改进自适应Jaya优化MPPT方案，在部分着色和辐照度变化下实现快速收敛和接近最优的全局MPP跟踪;然而，作为一种元启发式优化方法，它涉及迭代计算和相对缓慢的稳定行为，这可能限制快速变化条件下的实时性能。类似地，参考文献[9]提出了一种混合MIWO–P&O MPPT方法，通过结合进化优化与传统P&O，提升了部分着色下的GMPP跟踪速度和准确性，但其两阶段混合结构增加了算法复杂度，且在快速环境变化下仍无法保证理想的跟踪效率。基于这些局限性，本研究采用了基于生物启发的蚱蜢优化算法（GHO）的光伏系统MPPT策略。与基于P&O的混合方案或多阶段进化MPPT方法不同，GHO采用自适应的基于种群的全局搜索机制，能够快速且稳健地跟踪GMPP，无需复杂的切换逻辑或大量参数调优。因此，基于GHO的MPPT方法增强了动态响应，跟踪鲁棒性和在部分阴影和快速变化辐照条件下的稳态稳定性。
近期研究探讨了先进的控制策略，以提升直流微电网的稳定性和适应性。例如，参考文献[10]采用了混合FA–PSO优化的模糊和分数阶控制框架，以提升基于RES的直流微电网中EV快充的直流链路电压稳定性，尽管多层优化和模糊推断带来了较高的控制器复杂性和调优工作。参考文献[11]提出了一种改进型干扰抑制控制，采用前馈重复补偿，适用于DAB转换器，在电动汽车充电应用中实现有效的低频涟波抑制，但其重复结构主要对周期性扰动有效，且需要在随机条件下仔细调优参数。此外，文献[12]开发了一个数据驱动控制框架，结合基于深度学习的负载和可再生能源预测，以及增强的分数式LADRC，以提供自适应惯性并提升稳定性;然而，其对数据密集型学习和通信基础设施的依赖增加了实现复杂度，并在数据不确定性或通信延迟下可能影响鲁棒性。与依赖复杂优化、重复结构或数据驱动增强LADRC的方法不同，本研究采用LADRC框架，以模型轻量化且无优化的方式调节EVB中双向DC/DC转换器的直流总线电压调节。通过利用实时扩展状态观测器，该策略实现了有效的扰动拒绝，无需依赖预测、学习模型或通信密集型架构，非常适合具有高可再生能源渗透率的可扩展多源直流微电网。与此同时，与传统的PI、PID和滑动模式控制器相比，LADRC在应对干扰、参数不确定性和建模不准确性方面提供了更优越的鲁棒性[13]。
表1、表2比较了不同系统范围、控制目标和验证方法下的光伏、燃料电池和直流微电网控制的代表性研究，强调以往工作通常强调单个组件，如部分遮蔽下的MPPT、以EMS为中心的直流母线调节、LADRC设计或燃料电池建模。虽然这些研究在各自关注领域表现出优势，但它们通常将MPPT与直流母线动力学分离，依赖简化或基于规则的EMS策略，或仅通过仿真验证性能。相比之下，本研究通过提出一个统一的独立光伏-电力-电梯直流微电网框架而脱颖而出，该框架紧密结合基于GHO的MPPT动力学与EVB辅助的LADRC直流母线调节及真实的燃料电池控制，并辅以全面的多指标基准测试和模拟加HIL验证。
上述文献研究聚焦于可再生能源整合的当前挑战，尤其是光伏系统和氢燃料电池。尽管取得了显著改善，系统效率、储能和电网整合等重大问题仍限制了可再生能源的主流采用。由于依赖紫外线，光伏系统存在异质性和不可预测的困难，尤其在需求大或挑战性时期，这会严重影响稳定性和可靠性。储能系统如电池在处理这种不可预测性方面存在困难，原因是能量密度、效率和寿命的限制。系统运营商面临在管理间歇性可再生能源同时保持系统稳定性的难题，这需要采用先进的预测和管理方法。大量的前期财政需求和有限的政府支持阻碍了可再生能源的广泛采用。为应对这些困难，必须实施新的能源管理策略，同时推动储能技术、电网管理和立法框架的进步。这确保了无缝引入整个全球电网。
根据以往文献研究，一些缺点可以被识别出来：
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现有的PV–FC微电网项目通常将MPPT、直流母线调节和混合电源管理视为基本独立模块，对其动态耦合的讨论有限。 - •
MPPT瞬变、储能/EVB辅助总线调节与快速负载步进之间的相互作用，这些因素强烈影响独立直流微电网的稳定性和能耗利用，但尚未在单一协调框架中得到充分解决。 - •
许多研究依赖传统的PI/自适应PI控制器，但这些控制器在快速扰动和参数不确定性下可能难以应对。 - •
燃料电池的行为常常用简化/静态模型表示，在急剧的功率变化下降低了真实性。 - •
验证通常限于离线模拟，较少工作在激进辐照度/载荷曲线下提供高辐射/实验证据。
相比之下，本文提出了一种统一的独立PV–FC–EVB直流微电网控制架构，明确结合（i）通过基于GHO的MPPT实现快速光伏电力提取，（ii）利用LADRC辅助EVB辅助直流母线电压调节以实现强干扰抑制，以及（iii）通过协调功率共享实现快速负载变化处理。除了提出控制器方案外，该研究还提供了一个定量且富含指标的基准（动态响应、稳态调节和能耗/利用指标），并在模拟和高压层次（HIL）中验证了该方法，展示了在快速辐照和负载瞬变条件下的稳定性和能耗提升，这些环境常常挑战独立混合微电网。
科学创新：
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一个协调的控制框架，将MPPT动力学、EVB/LADRC直流总线调节和快速负载扰动连接在同一架构中，而非将它们视为独立的设计问题。 - •
基于EVB的LADRC外环用于在负载/辐照度骤变时排除干扰并稳定直流母线，超出传统PI/自适应PI的实践。 - •
PEMFC仿真器/控制的混合FLC–PI级联，以更好地再现阶梯级功率需求下的瞬态行为。 - •
基于GHO的MPPT设计用于加快辐照度瞬态下的收敛速度和减少振荡，支持总线稳定性和能量利用，并通过HIL验证了多种最先进方法。
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