[发明专利]一种基于SOC状态估计的铅酸电池模糊控制方法

权利要求书

1.一种基于SOC状态估计的铅酸电池模糊控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1：搭建铅酸蓄电池充放电系统；

步骤S2：根据物理学原理以及中立II型T-S模型的表达方法，建立微电网铅酸电池充放电切换系统模型；

步骤S3：考虑到铅酸蓄电池的储能状态对于微电网的稳定工作显得非常重要，针对微电网铅酸电池储能状态问题设计基于SOC状态估计的控制器，使得储能状态的正确估计，并能保证系统的稳定运行和性能；

其中，步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：建立微电网铅酸电池物理模型，所述微电网铅酸电池物理模型包括电容C₁、电阻R₀、电阻R₁、电阻R₂以及等效电源E_m，所述电容C₁与电阻R₁并联，其并联节点的一端与等效电源E_m的正端相连，另一端依次经电阻R₂、电阻R₀连接至电压输出端的正端，所述等效电源E_m的负端连接至电压输出端的负端，如公式(1)所示：

式中，τ₁＝R₁C₁，C_θ和R_θ是热电容器和电池与其环境之间的电阻，θ_a是电池周围环境的温度，P_s是电池内部产生的热源；R₁是电阻、C₁是电容、I₁是通过R₁的电流、I_m是流过R₁和C₁并联支路的电流、Q_e是额外充电能量、θ是电解液温度；

定义符号E_m，R₀，R₁，R₂为：

式中，E_m0，K_E，R₀₀，A₀，R₁₀，R₂₀，A₂₁，A₂₂是铅酸蓄电池的常数；SOC是指电池在给定温度θ下能够提供的最大容量的电量的满格指标，DOC是参考实际放电状态的电池充满程度的指标，在容量C(I，θ)的表达中使用的电流是I_avg＝I₁，SOC是充电状态，那么：

式中，I^*是参考电流，K_C是给定I^*的经验系数，DOC就是电荷深度，即：

DOC＝1-Q_e/C(I_avg，θ) (4)

寄生分支的行为实际上是强非线性的，采用下式用于匹配Tafel的充放电流关系：

I_p＝V_PNG_p0 exp(V_PN/V_p0+A_p(1-θ/θ_f)) (5)

式中，θ_f是主要取决于电解液比重的电解质冷冻温度，对于铅酸蓄电池的参数G_p0，V_p0和A_p是常量；V_PN表示R₂和R₀间的端点电压；

步骤S22：进一步建立微电网铅酸蓄电池充电模型；定义V为端电压，I为输入电流，z₂＝exp(V_PN/V_p0+A_p(1-θ/θ_f))，z₃＝R₁，z₄＝R₂，z₅＝R₀；由(1)-(5)得：

式中，τ₁＝R₁C₁，θ_a电池周围环境的温度，P_s是电池内部产生的热源；

进一步定义，x(t)＝[I₁ Q_e θ V]^T，并由(6)得到微电网铅酸蓄电池充电非线性模型：

y(t)＝Cx(t) (7)

式中，E＝diag{1，1，1，0}，u(t)＝I，并且有

选择z₁-z₆作为模糊前件变量，将(7)中的非线性系统用以下模糊系统表示：

y(t)＝Cx(t) (9)

式中，z(t)＝[z₁，z₂，...，z₆]是模糊前进变量，g表示模糊集数量，r表示模糊规则数量，是中立II型的模糊集，μ_l[z(t)]表示模糊隶属度的下界，表示模糊隶属度的上界，A_l和B_l是非线性系统模型在z₁-z₆进行线性化得到的系统矩阵：

步骤S23：进一步建立微电网铅酸蓄电池放电数学模型；由于在放电期间有和忽略电阻器R₂和整个寄生分支的影响；因此，得到放电系统的动力学方程如下：

定义z₂＝R₀，z₃＝R₁，x(t)＝[I₁ Q_e θ V]^T，并根据戴维南定理，写成状态空间的表达式如下：

式中，E＝diag{1，1，1，0}，u(t)＝I，

选择z₁-z₃作为模糊前件变量，公式(11)中的非线性系统可以用以下模糊系统表示，

y(t)＝Cx(t) (12)

式中，z(t)＝[z₁，z₂，z₃]，g表示模糊集数量，r表示模糊规则数量，是中立II型的模糊集，μ_l[z(t)]表示模糊隶属度的下界，表示模糊隶属度的上界，A_l和B_l是非线性系统模型在z₁-z₃进行线性化得到的系统矩阵，

步骤S24：进一步建立微电网铅酸蓄电池充放电切换操作数学模型；随着公式(9)和(12)得到：

式中x(t)＝[I₁ Q_e θ V]^T，u(t)＝I，

式中，A_1l、A_2l、B_1l以及B_2l中下标中的数字为1时表示系统在充电状态，为2时表示系统在放电状态；

其中，步骤S3具体包括以下步骤：

步骤S31：考虑基于SOC状态估计器具有如下的结构：

式中：是估计的状态，是估计的系统输出，角标i等于1时表示系统在充电状态，角标i等于2时表示系统在放电状态，是观测器的估计前件变量，g表示模糊集数量，r表示模糊规则数量，是第i个系统中立II型的模糊集，表示第i个系统模糊隶属度的下界，表示第i个系统模糊隶属度的上界，A_il和B_il是切换系统参数矩阵，L_il是要设计的切换系统观测器参数矩阵；

考虑反馈控制器具有如下的结构：

式中：K_il是要设计的切换系统反馈控制器参数矩；

定义联立公式(13)，(14)，(15)得到如下的误差系统：

式中：

步骤S32：K_il和L_il分别是要设计的切换系统反馈控制器参数矩阵和观测器参数矩阵，求解以下的矩阵不等式获得：

式中：是具有维数相当的矩阵，γ是性能指标；公式(18)内符号＊表示矩阵对称的部分。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOC状态估计的铅酸电池模糊控制方法，其特征在于，步骤S1具体为：所述微电网铅酸蓄电池充放电系统包括微电网AC母线、双向DC/AC模块、铅酸蓄电池、切换SOC估计器、以及反馈控制器。