集成氢气和HAWKER蓄电池储能的独立光伏-电联电混合系统，在直流微电网中实现稳健的电力控制和能源管理

本文提出了一种基于光伏（PV）和热电发电机（TEG）技能的直流微电网体系集成滑动形式操控器（ISMC）。微电网将光伏和TEG单元作为首要动力，辅以燃料电池、电池和电解槽。为了减轻单个动力的运营压力，选用动力管理体系（EMS）动态分配负载。
所提操控框架的安稳性经过李雅普诺夫安稳性理论进行了严厉验证。归纳模仿在两种不同的动态环境场景下进行：（1）随机生成的数据和（2）来自摩洛哥东南部埃拉希迪亚的实在气候数据。与传统滑动形式操控（SMC）的比较分析标明，ISMC在气候改变和操作不确定性下供给了更高的鲁棒性和安稳性。模仿结果确认了闭环体系的渐近安稳性，强调了所提操控战略的有效性和韧性。

简介

太阳能、风能和废热收回体系比较化石燃料明显减少了温室气体排放。经过运用可再生资源并从工业过程中捕捉未运用的热能，这些技能完成了动力供应的多样化，减少了对进口燃料的依靠[1]。此外，太阳能和风能的平稳化成本大幅下降，使其在与传统动力的成本竞争中更具竞争力，而废热收回经过将丢失的能量转化为可用电力，进一步提高了功率[2]， [3]。在此背景下，直流微电网为现代分布式动力体系，尤其是以可再生动力和储能为主的体系，供给了更高效、更简化的处理方案。跟着电力电子技能的前进和直流标准的演进，这些技能的选用预计将继续增长，尤其是在可再生动力集成、数据中心和电动汽车（EV）充电领域[4]、[5]。虽然光伏（PV）体系有许多优势，但其首要缺陷是依靠阳光，导致因为环境因素改变如太阳辐照度和光伏组件温度，功率输出动摇。将热电发电机（TEGs）与光伏（PV）设备整合，确实是一种有远景的办法，能够一起运用阳光中的光子和热能成分，提高太阳能采集功率。与独立光伏体系比较，这种混合体系能够提高整体功率输出和功率[6]。因而，整合互补的可再生动力能够提高电力混合动力发电体系（EHGS）的可靠性[7]。因为太阳能和废热收回的间歇性，依靠光伏（PV-TEG）体系作为首要动力（MES）的微电网需要辅助动力（AES）来满足高峰负荷需求。[8], [9].为处理这一问题，电池和超电容器（UCs）等储能体系一般并联连接，构成混合动力体系[10]。现在，许多研讨探讨了PV/Battery/UC和PV/TEG/电池/UC直流微电网[11]，这些微电网显示出潜力，但因为电池容量和扩展性限制，长时间孤立运转并不抱负。为克服这一限制，开发了一种替代的直流微电网装备，结合了燃料电池（FCs）、可再生动力（RES）和电池。在这种装备中，可再生动力作为首要动力，FC保证继续发电，电池则作为短期储能缓冲[12]。氢能体系一般由燃料电池（FC）、电解槽和氢气储罐组成[13]。电解槽发生氢气，随后贮存在加压罐中，随后供应给燃料电池（PEMFC）发电。EGHS还能够包括具有不同拓扑结构的直流或交流变流器设备，以及动力和储能体系[14]。
直流-直流变流器在最大化光伏（PV）体系和热电发电机（TEGs）的功率提取方面发挥着关键效果[15]。光伏体系的功率-电压特性由太阳辐照度和温度决定，而TEG的输出首要依靠于其热端和冷端的温度梯度。两种体系在不同电压水平下输出功率各异，且在特定最大功率点（MPP）时到达峰值功率。为保证最佳功能，最大功率点盯梢（MPPT）动态调整这些体系的工作电压[16]。经过调理各自直流-直流变换器的占空比，MPPT能够高效地完成光伏和TEG体系，一起便于对辅助动力的电力传输进行精确操控。
直流微电网的高效运转依靠于处理两个关键研讨挑战：电力变换器的低能操控和高能能管理战略（EMS）。在低电平，电力电子转换器必须保持安稳的直流母线电压，保证分布式电源间的电流正确共享，并动态呼应负载改变或故障，一般需要先进的操控技能，如模型预测或下垂操控[17]。与此一起，高水平EMS优化了发电、储能和负载之间的电力流动，一起处理可再生动力和需求的不确定性[18]。在其他研讨[19]中，开发了一种结合卡尔曼滤波器（KF）、高斯和滤波器（GSF）和人工神经网络（ANN）的归纳状况估量办法，以提高动力管理体系的准确性、适应性和功率。为满足电力需求，已提出改进的基于含糊的动力管理战略（EMS），用于由燃料电池（FC）、光伏（PV）电池、电池（BAT）和超级电容器（SC）组成的混合动力体系，应用于旅游船[20]。此外，提出了一种针对混合光伏-TEG体系的智能电力操控战略，经过收回光伏板废热最大化动力功率。该体系经过盐管群优化（SSA）处理了部分遮盖条件（PSC）和非均匀温度分布（NTD）等挑战[21]。用于氢能/风能/光伏/电池微电网的去中心化PID操控器见[22];然而，其有效性仅限于有限的操作区域，未能处理体系的非线性问题。比较之下，[23]中的办法选用基于含糊逻辑的分数阶PID操控器用于智能直流微电网，但受限于呼应时间缓慢和明显的稳态差错。自适应滑动形式操控（ASMC）已被提出用于混合水风微电网，展现了有效的电压调理能力以及对发电和负荷条件不确定性的鲁棒性[24]。然而，这种办法引入了高频开关振动——称为振颤——这会导致电力电子元件发生过多热量，可能导致热应力和寿数缩短。[12]的研讨旨在优化计算中心的混合绿色动力体系，整合光伏（PV）面板、风力涡轮机、海水淡化设备、电解槽、燃料电池（FC）和热电发电机（TEGs）。然而，该体系缺乏电池充电状况（SOC）驱动的能量管理办法。比较之下，另一项研讨引入了一种适用于光伏供电直流微电网的快速达成规律集成终端滑动形式操控器（FRL-ITSMC）。该微电网以光伏为首要动力，辅以燃料电池、电池和超级电容器（不含电解槽）。动力管理体系（EMS）动态分配负载到这些源头，以避免对任何单一组件形成过重应力[25]。氢气贮存体系因其高能量密度和极低的自放电特性，完成了长时间动力管理，十分合适长时间贮存多余能量。比较之下，电池呼应敏捷且高效，但更合适短期能量缓冲。因而，所提体系结合了两种技能，将电池分配到瞬态补偿，氢环进行长时间能量平衡，然后提高了孤岛运转的可靠性。
本文提出了一套稳健的动力管理体系（EMS），用于集成光伏阵列和热电发电机（TEG）的独立混合可再生动力体系，结合氢贮存体系（电解器和燃料电池）及电池组以供电直流负载。所提操控战略保证在动态条件下安稳运转，包括太阳辐照度改变、热梯度动摇、负载需求改变、电池充电状况（SOC）动态以及氢罐压力改变。
EMS的两个首要操控目标是：（1）经过单个最大功率点盯梢（MPPT）最大化光伏和TEG子体系的功率提取，（2）经过盯梢氢气出产体系、燃料电池和电池的电流参阅来维持功率平衡，以满足负载需求。动力管理战略受电池充电量和氢罐压力操控，这些参数根据环境条件自适应地决定体系开关参数。
为了增强动态功能，在较低的操控层完成了集成滑动形式操控（ISMC）。整体效果消除了传统单体磁体磁工固有的触及相位，明显提高了瞬态呼应和鲁棒性。为验证该体系，选用随机气候数据和坐落埃拉奇迪亚理学院的戴维斯气候Vantage Pro2站搜集的实在气候丈量进行了全面模仿。基于MATLAB的模仿展现了拟议中的ISMC在盯梢精度、搅扰按捺和体系安稳性方面优于传统SMC，适用于不同操作场景。