Passivity-based control system for stand-alone hybrid electrogenerating complex

Abstract

The desire for energy independence presupposes the use of various types of elements for energy generation from renewable sources, for the stand-alone operation of which energy storage devices are required. A power generation complex created in this way must perform a number of tasks that are formed by the energy management system. The control system performs these tasks and ensures proper static and dynamic characteristics of this complex with many inputs and outputs. The results of recent world researches, as well as the authors experience of this work, show that, for creating such control systems, it is advisable to use PassiveBased Control (PBC), presenting the control object as a Port-Controlled Hamiltonian (PCH) system. Thanks to the developed method of additional interconnections and damping injection (Interconnection & Damping Assignment - IDA) passive control provides ample opportunities to adjust the control effects, while ensuring the asymptotic stability of the system as a whole. This is particularly useful in the complex system considered in this paper that includes both a hybrid power plant for electricity generation from the sun and wind and a hybrid energy storage unit consisting of the battery and supercapacitor module. This article shows the procedure of PBC system synthesis, according to which three structures of control influence formers (CIF) were designed and investigated. These structures have different combinations of additional interconnections and damping, which allows forming the desired energy flows inside the closed-loop system and therefore provide desired control results. Among them, there are tasks of maintaining voltages on the DC bus and the supercapacitor module at reference levels, and the smoothness of the battery current transients. A comparative simulation studies were performed on a computer model of the power generation complex with synthesized control systems, which was created in the MATLAB/Simulink environment. It showed the efficiency of their work and the advantages of different CIF structures.

Прагнення енергетичної незалежності зумовлює використання різного типу елементів генерування енергії з відновлюваних джерел, для роботи яких в автономному режимі необхідні пристрої накопичення енергії. Створений таки чином електрогенеруючий комплекс повинен виконувати низку завдань, які формуються системою енергетичного менеджменту. Виконання цих завдань та забезпечення належних статичних і динамічних характеристик роботи цього комплексу з багатьма входами і виходами здійснює система керування. Як показують результати останніх досліджень у світі, а також досвід авторів цієї роботи, для побудови подібних систем керування доцільно застосувати пасивне керування (Passivity-Based Control – PBC), представивши об’єкт керування як гамільтонову систему з керованими портами (Port-Controlled Hamiltonian System - PHS). Завдяки розробленому методу введення додаткових взаємозв’язків та демпфування (Interconnection & Damping Assignment – IDA) пасивне керування дає широкі можливості для налаштувань керуючих впливів, забезпечуючи при цьому асимптотичну стійкість системи в цілому. Це особливо корисно у складній системі, що розглядається в даній роботі і включає в себе як гібридну енергоустановку генерування електроенергії від сонця і вітру, так і гібридну установку накопичення енергії в акумуляторній батареї та суперконденсаторному модулі. У даній статті показано процедуру синтезу системи пасивного керування, за якою сформовано та досліджено три структури формувачів керуючих впливів (ФКВ) з різними комбінаціями додатково введених взаємозв’язків та демпфувань, що дає можливість сформувати бажані перетікання енергії в середині замкненої системи, а отже і забезпечити бажані результати керування. Серед них, зокрема, є завдання підтримання напруг на шині мережі постійного струму та суперконденсаторному модулі на заданих рівнях, плавність перехідних процесів струму в акумуляторній батареї. Проведено порівняльні симуляційні дослідження на створеній в середовищі Matlab/Simulink комп’ютерній моделі електрогенеруючого комплексу з використанням синтезованих систем керування, які показали ефективність їх роботи та переваги різних структур ФКВ.