[发明专利]一种基于SOC状态估计的多铅酸电池并联系统模糊协调控制方法

权利要求书

1.一种基于SOC状态估计的多铅酸电池并联系统模糊协调控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：搭建能源互联网多铅酸蓄电池充放电系统；

步骤S2：根据物理学电路原理以及中立II型T-S模型的表达方法，建立能源互联网多铅酸蓄电池充放电切换系统模型；

步骤S3：设计基于SOC状态估计的控制器，用以使得能源互联网多铅酸蓄电池储能状态正确估计，并能保证系统的稳定运行和性能。

2.根据权利要求1所述的一种基于SOC状态估计的多铅酸电池并联系统模糊协调控制方法，其特征在于：所述能源互联网多铅酸蓄电池充放电系统包括若干铅酸蓄电池充放电模块和一条能源互联网AC母线；所述每个铅酸蓄电池充放电模块均包括一个双向DC/AC模块、一个铅酸蓄电池、一个切换SOC估计器和一个反馈控制器；每个模块中的所述铅酸蓄电池均通过所述双向DC/AC模块与所述AC母线相连；每个模块中的所述反馈控制器均与此模块中的所述铅酸蓄电池连接，用以提供控制信号到该所述铅酸蓄电池；所述前一个模块中的切换SOC估计器和下一个模块中的所述铅酸蓄电池连接，用以提供控制信号到该所述铅酸蓄电池。

3.根据权利要求1所述的一种基于SOC状态估计的多铅酸电池并联系统模糊协调控制方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：

步骤S21：建立能源互联网单铅酸蓄电池物理模型，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，R_θ是电池周围环境的温度，P_s是电池内部产生的热源；

令符号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Iav_g＝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；下式可用于匹配Tafel的充放电流关系：

I_p＝V_PNG_p0exp(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，通常可以假设等于-40℃；对于铅酸蓄电池的参数G_p0，V_p0和A_p是常量；

步骤S22：建立能源互联网单铅酸蓄电池充电模型；令V为端电压，I为输入电流，放电为正，充电为负；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；

x(t)＝[I₁ Q_e θ V]^T，并由(6)得到能源互联网单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

步骤S23：进一步考虑多铅酸电池系统，基于基尔霍夫电流定理，公式

其中i∈[1，2，...，N]，N代表铅酸电池的个数；将公式(9)代入(6)，得

其中，z_1i-z_1i是可测量的变量；

定义x_i(t)＝[I_1i Q_ei θ_i V_i]^T，那么由(10)得到能源互联网多铅酸蓄电池充电非线性模型：

y_i(t)＝C_ix_i(t)， (11)

式中，E＝diag{1，1，1，0}，u_i(t)＝I_i，u_j(t)＝I_j，其中diag是表示对角矩阵，并且有

选择z_1i-z_5i作为模糊前件变量，式(11)中的非线性系统用以下模糊系统表示，

y_i(t)＝C_ix_i(t)， (13)

式中，z_i(t)＝[z_1i，z_2i，…，z_5i]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_li[z_i(t)]表示模糊隶属度的下界，表示模糊隶属度的上界，A_li和B_li是非线性系统模型在z_1i-z_5i进行线性化得到的系统矩阵，

步骤S24：建立能源互联网多铅酸蓄电池放电数学模型；由于在放电期间有和那么则忽略电阻器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：

现在，定义z_2i＝R_0i，z_3i＝R_1i，x_i(t)＝[I_1i Q_ei θ_i V_i]^T，并根据戴维南定理，写成状态空间的表达式如下：

y_i(t)＝C_ix_i(t)， (15)

式中，E_i＝diag{1，1，1，0}，u_i(t)＝I_i，

选择z_1i-z_3i作为模糊前件变量，公式(14)中的非线性系统用以下模糊系统表示，

y_i(t)＝C_ix_i(t)， (16)

式中，z_i(t)＝[z_1i，z_2i，…，z_5i]，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_li[z_i(t)]表示模糊隶属度的下界，表示模糊隶属度的上界，A_li和B_li是非线性系统模型在z_1i-z_3i进行线性化得到的系统矩阵，

步骤S25：建立能源互联网多铅酸蓄电池充放电切换操作数学模型；根据公式(13)和(15)得到：

y_i(t)＝C_ix(t)，σ＝{1，2} (17)

式中角标σ等于1时表示系统在充电状态，角标σ等于2时表示系统在放电状态，x_i(t)＝[I_1i Q_ei θ_i V_i]^T，u_i(t)＝I_i，

4.根据权利要求1所述的一种基于SOC状态估计的多铅酸电池并联系统模糊协调控制方法，其特征在于：所述步骤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：角标σ等于1时表示系统在充电状态，角标σ等于2时表示系统在放电状态，是估计的状态，是估计的系统输出，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(16)，(17)，(18)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，通过求解以下的矩阵不等式获得：

式中：是具有适当维数的矩阵，γ是性能指标。