Improved Structure of Passivity-Based Control of Battery-Supercapacitor Hubrid Energy Storage System

Abstract

Energy storage systems are a topical modern area of research due to the rapid development of renewable energy and electric vehicle construction. Due to the current lack of a source or accumulator of electricity with high specific energy and power, it is being replaced by hybrid electricity storage systems, which consist of separate, complementary sources. Among them, the combination of electrochemical battery – supercapacitor bank is the most common. The paper considers its active configuration, in which both sources are connected to the output network through bidirectional pulse DC-DC converters. The studied hybrid batterysupercapacitor system is a nonlinear dynamic system with multiple inputs, multiple outputs, and two control channels, the operation of which is described by five differential equations. To solve the problem of synthesis of a stable and efficient control system for such an object, the energy approach, namely energy-shaping control has been used. To do this, the studied system is mathematically described as Port-Controlled Hamiltonian system, and two descriptions are compared with different options for choosing the basic vector of the system state. The structural synthesis of the passive control system was performed by the Interconnection and Damping Assignment method. Based on the energy management strategy developed for the system under study, all possible options for introducing interconnections and damping into the passive control system were explored using a computer program developed in the MathCad environment. The effectiveness of the obtained structures of control influence formers on the investigated dynamic system was studied by computer simulation in the Matlab/Simulink environment. According to the results of the research, the variant of control influence former with the best combination of introduced interconnections and damping is formed according to the principle of superposition. To stabilize the voltage values of the output network and the supercapacitor unit set by the control strategy, a proportional-integrated voltage regulator is additionally used, and a sliding regulator between two passive control structures is exploited to limit the allowable battery current. The results of the computer simulation showed the full implementation of the tasks of the energy management strategy, including a smooth increase and limitation of the battery current

Системи зберігання електричної енергії є актуальним сучасним напрямком досліджень, зумовленим стрімким розвитком відновлюваної енергетики та електромобілебудування. Через відсутність на даний час джерела чи нагромаджувача електроенергії з високими питомими показниками енергії та потужності, його замінюють гібридними системами зберігання електричної енергії, які складаються з окремих джерел, що доповнюють одне одного. Серед них комбінація електрохімічна акумуляторна батарея – суперконденсаторний блок є найбільш поширеною. У роботі розглядається її активна конфігурація, у якій обидва джерела підключені до вихідної мережі через двонапрямлені імпульсні перетворювачі постійної напруги. Досліджувана гібридна акумуляторно-суперконденсаторна система є нелінійною динамічною системою з багатьма входами і багатьма виходами та двома каналами керування, робота якої описана п'ятьма диференціальними рівняннями. Для вирішення задачі синтезу стабільної та ефективної системи керування для такого об’єкта у роботі застосовано енергетичний підхід, а саме енергоформуюче керування. Для цього досліджувана система математично описана як гамільтонова система з керованими портами, причому порівняно два описи з різними варіантами вибору базового вектора стану системи. Структурний синтез системи пасивного керування проводився за методом формування взаємозв’язків та введення демпфувань. На основі сформованої для досліджуваної системи стратегії енергетичного менеджменту за допомогою розробленої в середовищі MathCad комп’ютерної програми були досліджені усі можливі варіанти введення енергетичних взаємозв’язків та демпфувань у систему пасивного керування. Дієвість отриманих структур формувачів керуючих впливів на досліджувану динамічну систему вивчалася шляхом комп’ютерного симулювання в середовищі Matlab/Simulink. За результатами дослідження сформовано за принципом суперпозиції варіант формувачів керуючих впливів з найкращою комбінацією введених взаємозв’язків та демпфувань. Для стабілізації заданих стратегією керування значень напруг вихідної мережі та суперконденсаторного блока додатково застосовано пропорційноінтегральний регулятор напруги, а для обмеження допустимого струму акумуляторної батареї – ковзний регулятор між двома структурами пасивного керування. Результати комп’ютерного симулювання показали повне виконання завдань стратегії енергетичного менеджменту, зокрема плавне наростання та обмеження струму акумуляторної батареї

Системы хранения электрической энергии являются актуальным современным направлением исследований, обусловленным стремительным развитием возобновляемой энергетики и электромобилестроения. Из-за отсутствия в настоящее время источника или накопителя электроэнергии с высокими удельными показателями энергии и мощности, его заменяют гибридными системами хранения электрической энергии, состоящими из отдельных источников, дополняющих друг друга. Среди них комбинация электрохимическая аккумуляторная батарея – суперконденсаторный блок является наиболее распространенной. В работе рассматривается ее активная конфигурация, в которой оба источника подключены к выходной сети через двунаправленные импульсные преобразователи постоянного напряжения. Исследуемая гибридная аккумуляторно-суперконденсаторная система является нелинейной динамической системой со многими входами, многими выходами и двумя каналами управления, работа которой описана пятью дифференциальными уравнениями. Для решения задачи синтеза стабильной и эффективной системы управления для такого объекта, в работе применен энергетический подход, а именно енергоформирующее управление. Для этого исследуемая система математически описана как гамильтонова система с управляемыми портами, причем подвергнуты сравнению два описания с различными вариантами выбора базового вектора состояния системы. Структурный синтез системы пассивного управления проводился по методу формирования взаимосвязей и введения демпфирований. На основе сформированной для исследуемой системы стратегии энергетического менеджмента с помощью разработанной в среде MathCad компьютерной программы были исследованы все возможные варианты введения энергетических взаимосвязей и демпфирований в систему пассивного управления. Действенность полученных структур формирователей управляющих воздействий на исследуемую динамическую систему изучалась путем компьютерного симулирования в среде Matlab/Simulink. В результате исследования сформирован по принципу суперпозиции вариант формирователей управляющих воздействий с лучшей комбинацией введенных взаимосвязей и демпфирований. Для стабилизации заданных стратегией управления значений напряжений выходной сети и суперконденсаторного блока дополнительно применен пропорционально-интегральный регулятор напряжения, а для ограничения допустимого тока аккумуляторной батареи – скользящий регулятор между двумя структурами пассивного управления. Результаты компьютерного симулирования показали полное выполнение задач стратегии энергетического менеджмента, в частности плавное нарастание и ограничения тока аккумуляторной батареи.