CN105186867A - 一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于开关控制技术领域，提供了一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法，包括以下步骤：A、判断间歇性电源的输出电压是否大于预设值；B、判断连续性电源的是否有电压输出；C、储能装置直流交换器开关闭合并执行第二判断步骤；当控制器检测储能装置充满电时，断开储能装置充电开关。减少了器件和相关的控制电路，减小了功率损耗；可以达到高的功率密度。有效的管理；紧凑的布局，提高了系统的稳定性；容易实现集中控制；降低了系统的成本和减小了系统的体积。

Description

一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法

技术领域

本发明属于开关控制领域，尤其涉及一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法。

背景技术

随着人类对可再生能源的利用越来越广泛，微电网的发展越来越受到关注。近五年来，经过不断的深入研究，微电网的发展取得了显著的成果。美国将微电网定义为由负载和分布式电源组成的新型供电系统。其主要利用的是新型可再生输入源，例如风能和太阳能等，它的广泛应用能够降低不可再生能源短缺的问题，而且对环境污染问题也有极大的改善。欧洲更是利用电力电子技术和智能控制技术将传统供电系统和微网供电系统结合起来在保证负载不间断供电的同时充分提高能源利用率。我国在这方面研究也是硕果累累，包括对输入源的发展以及微网中的各器件和控制策略等方面。而研究微网中的关键电力电子器件多输入直流变换器对微网的发展和应用有很大的帮助。微网中微源直接和多输入直流变换器相连，然而直流变换器又是一类典型的非线性时变系统，存在着丰富的非线性动力学行为，如各种类型的分岔、混沌等。尤其在多输入直流变换器系统中，为实现多输入源同时向负载供电，从而呈现出更为复杂的非线性现象。从而影响到整个系统的效率因此研究多输入变换器的开关状态和其控制方式是非常关键的。

在微网中分布电源是通过直流变换器向负载供电，其中间歇性电源(风能、光能)易受到天气变化的影响因此在某个时段分布式电源的工作类型和状态就对应了多输入变换器的开关状态。实际应用中，微源的实时选择并不是靠人工进行，人类也不可能对微源进行实时管理控制。并且多输入直流变换器系统中复杂的非线性现象也会影响到系统效率。因此缺乏一种智能控制策略时，将难以找到合适的输入状态类型，这使得不能保证负荷的不间断供供电，也不能有效回避相应系统的非线性影响。因此会大大降低能源利用率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法，旨在解决上述的技术问题。

本发明是这样实现的，一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法，所述控制方法包括以下步骤：

A、判断间歇性电源的输出电压是否大于预设值，如是，则间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B；

B、判断连续性电源的是否有电压输出，如有电压输出，则连续性直流变换器开关闭合且给储能装置充电并执行第一判断步骤，如无电压输出，则执行步骤C；

所述第一判断步骤：执行步骤A，且在步骤A中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B；

C、储能装置直流交换器开关闭合并执行第二判断步骤；

所述第二判断步骤：执行步骤A，在步骤A中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B，在步骤B中，如是，则当前闭合开关断开，间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，执行第一判断步骤，如否，则执行步骤C；

当控制器检测储能装置充满电时，断开储能装置充电开关。

本发明的进一步技术方案是：在控制方法过程中三类输入源的优先级顺序为间歇性电源、连续性电源及储能装置。

本发明的进一步技术方案是：所述控制方法中三类输入源运行呈现八种状态，其八种状态分别为停机状态、间歇状态、无储能状态、连续性状态、间歇性稳定状态、连续性稳定状态、紧急状态及综合状态。

本发明的进一步技术方案是：所述间歇状态、无储能状态、间歇性稳定状态及综合状态的运行中间歇性电源处于工作状态输出受环境影响改变存在较大波动采用最大功率跟踪控制。

本发明的进一步技术方案是：所述无储能状态、连续性状态及综合状态的运行中连续性电源处于工作状态能源充足且功率可调采用PQ控制。

本发明的进一步技术方案是：所述间歇性电源采用的是风力发电和光伏发电。

本发明的进一步技术方案是：所述连续性电源采用的是燃料电池。

本发明的有益效果是：减少了器件和相关的控制电路，减小了功率损耗；可以达到高的功率密度。有效的管理；紧凑的布局，提高了系统的稳定性；容易实现集中控制；降低了系统的成本和减小了系统的体积。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法的流程图。

图2是本发明实施例提供的双输入Buck变换器示意图。

图3是本发明实施例提供的多输入变换器的集成的示意图。

图4是本发明实施例提供的多输入变换器的电路拓扑示意图。

图5是本发明实施例提供的微网运行状态转换示意图。

图6是本发明实施例提供的典型单元夏日用电剖析图。

图7是本发明实施例提供的一天的风速变化图。

图8是本发明实施例提供的一天的光照强度变化图。

图9是本发明实施例提供的三种状态转移模型图。

图10是本发明实施例提供的嵌入式p1c系统状态机能源选择图。

图11是本发明实施例提供的二段状态转移图。

图12是本发明实施例提供的二段状态程序转移图。

图13是本发明实施例提供的输出功率变化条形图。

图14是本发明实施例提供的状态转移图。

图15是本发明实施例提供的程序转移图。

图16是本发明实施例提供的状态机模型。

图17是本发明实施例提供的只变一种输入源的控制系统仿真模型。

图18是本发明实施例提供的状态机输出图。

图19是本发明实施例提供的状态机波形图。

图20是本发明实施例提供的输入源状态图。

图21是本发明实施例提供的输出功率条形图。

图22是本发明实施例提供的间歇状态到无储能状态机模型图。

图23是本发明实施例提供的间歇状态到无储能连接状态仿真模型图。

图24是本发明实施例提供的状态机输出图一。

图25是本发明实施例提供的状态机输出波形图一。

图26是本发明实施例提供的间歇状态到连续性状态转移图。

图27是本发明实施例提供的间歇状态到综合连接状态转移图。

图28是本发明实施例提供的连续性状态到综合连接状态转移图。

图29是本发明实施例提供的间歇状态到连续性状态机控制模型图。

图30是本发明实施例提供的间歇状态到综合连接状态机控制模型图。

图31本发明实施例提供的连续性状态到综合连接状态机控制模型图。

图32是本发明实施例提供的间歇状态到连续性状态机输出图。

图33是本发明实施例提供的间歇状态到连续性状态机输出波形图。

图34是本发明实施例提供的间歇状态到综合连接状态机输出图。

图35是本发明实施例提供的间歇状态到综合连接状态机输出波形图。

图36是本发明实施例提供的连续性状态到综合连接状态机输出图。

图37本发明实施例提供的连续性状态到综合连接状态机输出波形图。

图38是本发明实施例提供的不同衡量单独输入示意图。

图39是本发明实施例提供的不同衡量同时输入示意图。

图40是本发明实施例提供的多个状态机并联示意图。

图41是本发明实施例提供的多个状态机并联的输出示意图。

图42是本发明实施例提供的多个状态机并联的输出波形示意图。

具体实施方式

图1示出了本发明提供的基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法的流程图，其详述如下：

步骤S1，判断间歇性电源的输出电压是否大于预设值，如是，则间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤S2。

步骤S2，判断连续性电源的是否有电压输出，如有电压输出，则连续性直流变换器开关闭合且给储能装置充电并执行第一判断步骤，如无电压输出，则执行步骤S3；所述第一判断步骤：执行步骤S1，且在步骤S1中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤S2。

步骤S3，储能装置直流交换器开关闭合并执行第二判断步骤；所述第二判断步骤：执行步骤S1，在步骤S1中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤S2，在步骤S2中，如是，则当前闭合开关断开，间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，执行第一判断步骤，如否，则执行步骤S3；当控制器检测储能装置充满电时，断开储能装置充电开关。

在控制方法过程中三类输入源的优先级顺序为间歇性电源、连续性电源及储能装置。

所述控制方法中三类输入源运行呈现八种状态，其八种状态分别为停机状态、间歇状态、无储能状态、连续性状态、间歇性稳定状态、连续性稳定状态、紧急状态及综合状态。

所述间歇状态、无储能状态、间歇性稳定状态及综合状态的运行中间歇性电源处于工作状态输出受环境影响改变存在较大波动采用最大功率跟踪控制。

所述无储能状态、连续性状态及综合状态的运行中连续性电源处于工作状态能源充足且功率可调采用PQ控制。

所述间歇性电源采用的是风力发电和光伏发电。

所述连续性电源采用的是燃料电池。

双输入变换器结构功能分为Buck、Boost、Buck-Boost三种，以Buck变换器为例。如图2所示，双输入Buck变换器的电路，电源模型v1和v2分别用来表示不同的输入源，例如风力发电和光伏电池。现假设所有器件均为理想元件。电感电流连续，开关功率相同，储能装置可以不限供电。

现简要分析其工作原理，输入源是通过Q1、Q2两个开关管控制其工作与否，因此根据开关管的通断应该有四种工作状态，及Q1断开Q2导通v2工作，Q1导通Q2断开v1工作，Q1、Q2同时导通v1、v2都工作，当Q1、Q2都断开时则输入源都不工作。该电路在工作过程中负载电压v0保持不变，因此电感电压会变化会引起电流发生变化，因此不同的输入源输出功率也会不同。由此可得到如表1-1的双输入变换器的开关状态。其中1表示对应开关管导通，0表示对应开关管断开。

表1-1风光双输入变换器的开关状态

Q1	Q2
		1	0
0	0
		0	1
1	1

前面双输入变换器的功率输出与功率开关状态关系的基础上，究新型多输入DC/DC变换器。由前面的知识连接一个输入源的直流变换器是单输入变换器，因此把能够同时连接多个输入源的变换器称作多输入变换器，如图3所示。

由多输入变换器的结构特点，并联系微电网的结构，可以构造出多输入变换器在微网中的电路拓扑。如图4所示，反映了多输入变换器具有结构简单等特点。

通过比较多输入变换器与单输入变换器结构、特点和应运情况。发现多输入变换器具有以下优点：减少了器件和相关的控制电路，减小了功率损耗；可以达到高的功率密度。有效的管理；紧凑的布局，提高了系统的稳定性；容易实现集中控制；降低了系统的成本和减小了系统的体积。因此，多输入变换器在实际中的应用必将越来越广泛。

同样在多输入变换器与输入源连接时，把某个输入源工作时称做多输入变换器对其的开状态，反之为关状态。用数字表示就是1和0状态。根据前面双输入变化器的开关状态，在理想状态下，如表1-2的多输入变换器的开关状态。如果选取风、光、燃三种分布式输入源，就得到其对应的开关状态。

表1-2多输入源的开关状态

S1	S2	S3
			0	0	0
1	0	0
			1	1	0
0	1	0
			0	1	1
0	0	1
			1	0	1
1	1	1

微电网中各类分布式电源通过直流变换器与直流母线相连，在实际应用中，要本着节约能源、减少环境污染的原则，尽可能使用可在生清洁能源。因此各类输入源并不是同时工作，而是相互互补，在不同的开关频率下发挥最大作用。研究其开关状态的控制策略至关重要。首先通过了解分布式电源的类型和其控制方式，得出在微网中开关状态的控制策略。

在生活中，常见的可再生清洁能源有光伏电池和风力发电两种。由于他们受到环境影响较大，产生的功率不可控制，因此称之为间歇性电源。实际生活中，风速和光照都是随机变化的，只有另外配备储能装置才能有恒定的输出功率。要想保证最大的能源利用率，及在间歇性电源输出功率最小时储能装置才发挥作用，采用MPPT(最大功率追踪控制方式)，可以实现这一目标。

连续性电源顾名思义，就是输出功率稳定的电源，包括燃料电池和柴油发电机等等。更据连续性电源输出功率稳定连续等特点，可以采用衡功率调度等方式，包括PQ(衡功率)控制方式、Droop(下垂控制)控制方式以及V/f(衡压衡频)控制方式。

根据间歇性电源和连续性电源的控制方式，找到一种能够对整个输入源的开关状态协调控制的方式在微网的实际运行中是非常重要的。分析多输入变换器的开关状态及输入源的工作状态和运行情况，设计一种控制系统，保证稳定的输出功率和负荷的不间断供电，这种系统由计算机智能控制。通过查阅资料，发现有限状态自动机能够实现这种控制策略，通过详细分析微源的工作状态，找到微网的运行状态转换情况，研究其控制策略，最后可以用状态机构建微网中多输入变换器的开关状态及功率输出的控制系统，实现智能控制。

以上文介绍的分布式电源模型做为微网的输入源，且都通过同一个多输入变换器和直流母线相连。输入源处于工作状态时用数字1表示，反之用0表示。因此当输入源都不工作时微网为停机状态；只有间歇性电源时命名为间歇状态；间歇性电源和连续性电源同时工作，储能装置不工作的状态为无储能状态；只有连续性电源工作为连续性状态；间歇性电源和储能装置同时工作为间歇性稳定状态；连续性电源和储能装置同时工作为连续性稳定状态；只有储能装置工作时为紧急状态，三类输入源同时工作为综合状态。表2-1详细的反映了各状态情况。

表2-1微网运行状态表

微网间歇性电源、连续性电源和储能装置都是控制的，找到微网不同运行状态下的控制方式，使与多输入变换器相连的微源有稳定的输出功率，表2-2中给出了微网中8种运行状态下采用的控制方式。

表2-2中状态2、3、5、8间歇性电源处于工作状态，由于其输出功率受到天气的影响而改变，存在较大的波动，因此采用最大功率跟踪控制方式，使可再生清洁能源的达到最大利用率。

表2-2各种状态下微网元件的控制方式

在表2-2中2、3、4状态由间歇性电源和连续性电源供电，输出功率充足，储能装置处于充电状态，而状态7只有连续型电源供电，输出功率不够足且成本高，储能装置此时不充电。状态3、4、8连续性电源处于工作状态，根据其能源充足且功率可调的特性，采用PQ控制方式。

MPPT控制器的全称“最大功率点跟踪”(MaximumPowerPointTracking)太阳能控制器，是传统太阳能充放电控制器的升级换代产品。

PQ控制方式：PQ控制应用于并网的分布式发电或微网系统，在这种系统中，有公网系统提供电压支撑，分布式发电系统被处理为一个恒定的功率输出。PQ控制是要求电站有功能与无功是可控的，是从电网端考虑的，为了保证电网上发电与用电的平衡，要求光伏电站需有PQ调节功能，当发电大于用电时，光伏系统发电量肯定不是在MPPT点上；VF控制应用于独立的分布式发电系统或孤岛系统，在这种系统中，没有公网的支撑，独立系统要控制电压和频率以满足独立系统中敏感符合的需求。类似于电机的压频控制，旨在维持电机恒定磁通，让电机保持较高的效率。

上文列出的微网8种运行状态，这些状态并不是随机转换的，每种状态只能在有触发事件下才能转换到另一中可行的状态。图5给出了微网运行状态的转换路径，表2-3为图5中编号所对应的触发事件。

表2-3状态转换触发事件

序号	触发事件
		1	间歇性电源开始工作
2	储能装置开始工作
		3	连续性电源开始工作
4	储能装置恢复运行
		5	间歇性电源恢复运行
6	连续性电源恢复运行
		7	连续性电源恢复运行
8	储能装置恢复运行
		9	间歇性电源恢复运行
10	连续性电源退出运行

11	间歇性电源全部退出运行
		12	储能装置退出运行
13	间歇性电源全部退出运行
		14	连续性电源退出运行
15	间歇性电源全部退出运行
		16	连续性电源退出运行
17	储能装置退出运行
		18	连续性电源开始运行
19	储能装置开始运行
		20	连续性电源退出运行
21	储能装置退出运行
		22	储能装置退出运行

微网中有间歇性电源，连续性电源和储能装置三类输入源，但由于间歇性电源主要是风力发电和光伏电池，受到风速，光照和温度的影响，输入功率不稳定。另外连续性电源由于故障或检修等原因，输出功率是变化的。而储能装置在其它两种输入源工作时能够存储能量，在紧急状态则可以充当稳定的输入源。

微电网中间歇性电源充当主要输入源，受到实际环境的影响，当间歇性电源输入不稳定时，则加入连续性电源保持输入稳定。平时储能装置处于充电状态，当间歇和连续性电源都停止工作时，则使用储能装置来应急。以上调整转换过程都可对应各个事件，所以在管理微电网中要用到有限状态机原理，更加系统直观的来描述和管理微电网的输入源。

将微网的各运行状态转换关系汇集起来，设定固定的转换路径和条件，便于状态机构成。表2-4列出了每种状态转换时的输入变量和输出变量。

表2-4运行状态转换表

微电网是面向楼宇的新型供电系统，其经济、节能和使用广受用户青睐。微电网的经济效益是多方面的，最重要的效益是能源的高效利用和环保以及个性化电能的安全、可靠、优质供应根据用户对电能供给的不同需求，对负荷进行分类和细化，研究环境对输入源的影响，研究不同输入源的最优工作状态，从而提高能源利用率，降低微电网的运行成本。研究了微电网的负荷优化分配问题，即根据负荷选择能源，使微源的工作状态最优，出力最大化，从而使系统的发电成本变小。

光伏发电的输出功率曲线总体呈现出凸函数形状，但输出的过程中可能会有着大的波动；风机在全天都有有效输出，但是输出较少，一般在晚上和下午达到全天波峰，其它的时间则较小；燃料电池的输出则是完全可控的。分布式电源中除了燃料电池的输出可以人为的控制大小外，光伏电池和风力发电的输出功率都会随着时间和天气的变化而变化，天气对光伏电池和风力发电的输出有着很大的影响，夏季的晴天光伏电站可以满功率运行，而在雨天和阴天，光伏电站的输出则较小甚至为0。

微电网并网成功后考虑的主要因素是整个系统的稳定工作以及最大化的节约能源，微电网中的输入源随开关状态变化可以用一种状态机模型表示，这表是一个时段微电网的输入源是按这种规律变化。因此，在实际中，可以将输入源的开关状态编辑多个状态机，根据不同情况，选择状态机类型，实现智能配电。以达到提高系统工作效率的目的；而在无人值守时由自动发电控制系统控制各个微电源。

由于用户的在不同时段的负荷不同，微电网中输入源与风速和光照的强度有关，所以要从这三方面因素来分析。现探究一天中负荷、风速、光照变化，并由此得出结论。

1.负荷：居民负荷通常可以分为九种类型：冰箱、冷藏、烹饪、照明、室内制冷、水加热、洗衣机等负荷成。一天24h中居民用电量如图6所示。

2.风速：风是由太阳光辐射产生的，它是我们生活中的一种自然现象，通常我们关注的是它的水平分量，即风速的大小和方向。作为太阳能的一种转化形式，在空气流动的过程中蕴含了大量的能量，医乏以及环境污染所带来的压力。如能得到有效地利用，可大大缓解自然资源的它分布性广，再生能源。的规律性。风能的分布虽有一定的地域差异性，近乎无尽，因此是一种理想的可但就某一地区来说，仍具有一定本文选取了某一地方的典型风速为研究对象，并作如下简化处理：假定在每一优化区间内风速保持恒定，并取其平均值，忽略风的随机波动性所带来的影响。一天中风速的变换如图7所示。

3.光照：它是地球上的自然光源，是太阳在进行核反应时所散发出来的光，通过远距离的传输，并透过大气层的过滤而滋养万物，是人类赖以生存和发展的最主要的能量来源。太阳能的一个显著特征是，同石油、煤等自然资源通过燃烧产生能量的方式相比，它不会产生环境污染等头疼问题，且它几乎是取之不竭的，因此它是一种极其重要地可开发能源。此外，同清洁能源核能发电相比，可以说不存在潜在的安全性问题。太阳光的辐射强度与纬度有很大的关系，越靠近赤道，可待开发的潜力也就越大，与日照天数和强度成正比。太阳能的分布无处不在，如能多加利用，可大大减少对化石能源的依赖程度，走上可持续发展的道路。光照强度是指单位面积可接受的可见光的能量，用单位勒克斯表示，其值受环境影响很大，如在多云、雨雪等天气状况下，可利用度将大大降低。本文选择某一地区的典型光照条件为研究对象，同样假设在每一时间区段内光照强度保持恒定，并取此区间范围内的平均值。那么一天中光照强度如图8所示。

通过图表的比较，发现在一天中风速变化幅度远小于光照强度，光照在11点到13点的时候达到最高，晚上6点到8点的时段负荷最大，因此在功能时则选择白天有光伏为主，风能为辅，晚上优先选择风能，另外在负荷繁重时则要加入柴油发电机以保证供电需求。

根据这种实际环境的影响，可以做出适合的状态机，如图9用来表示这一天的对用户的输入源的开关状态。以零时为起点，0点到8点，使用风能或风燃同时供电，8点到19点可以使用光伏、光燃、风光燃三种模型，19点24点使用风能或风燃同时供电。

模型中初始化可设定为0点，t1时刻为8点，t2时刻为19点。实际中就可以选取一种模型来作为当天的供电方式。由于一年四季天气不相同，所以要事先设定出在不同天气情况下的状态机模型，利用嵌入式状态机系统实现能源选择。如图10所示。嵌入式PLC系统状态机能源选择框图状态机模型是一个包含状态集合、输入向量集合、输出量集合和触发条件集合。将状态机的能源选择程序输入电脑，实现智能化。

状态机的能源选择程序可以事先设定好，分为三个部分：规范模型的初始构建、对嵌入式PLC系统选择、针对出现的未知状态完善规范模型。初始构建规范模型需要尽量保证嵌入式PLC系统运行正常，收集所有的运行状态。对嵌入式PLC系统的检测，如果不符合状态机能源选择程序返回到初始状态，与嵌入式PLC系统同时运行，检测嵌入式PLC系统的每一个状态，如果检测到不同则显示错误代码。出现未知状态，则说明要选择不同类型的状态机模型来完善系统。

有限状态机有不固定的输入量和输出量，能够用来描述和控制一些有限个数的状态和其转移情况。一般确定的有限状态机都被形式化的定义为五元组用字母M表示：M＝(S，X，f，S0，Z)其中字母S代表整个集合，集合中的每个元素称为状态；X代表有限的字母表，表中的各个元素称为输入字符；f代表状态机的转移函数，函数的映射从S×X至S，比如f(S0，a)＝S1表示：如果当前状态是S0，输入a时，将转换到下一个状态S1，因此把S1称为S0的后一个状态；初始状态只用s0表示；终止状态是z。

构建有限状态机时，可以把状态关系用状态转移图进行表示，能够更加形象的反映这种状态之间的转换。状态转移图构建时要注意首先确定它的初始状态，一次做为整个状态机的初始化。然后再一次用箭头连接接下来的状态，并在箭头上注明转移条件，依次完成这些工作，直到全部的状态转换完成为止。如图11是一种简单的2段状态机模型，用来检测二进制序列具有奇数还是偶数个0。图中偶数、奇数表示有几个0。当二进制数第一位为0，状态机从状态S1跳到状态S2，若为1，则保持在S1状态。照此规则依次检测该二进制数的每一位。与(1)式对照，偶数、奇数是状态集合S中的两个元素；0、1是状态转换的条件；f代表函数映射关系。

对于已经做好的状态机，可以用程序来实现它所描述的东西。为每个转移条件编写一段程序。首先对状态和条件进行编码，做好状态机的程序转移图。用q表示状态，x表示条件。图11的有限状态机中的奇数、偶数两种状态分别用q1、q2表示。条件xi的编码时将条件字xi分为多个字段xB1、xB2，每个字段占用一定的二进制位数，不同的条件类型有不同的字段也就是不同的二进制数。转移条件可由一位运行状态编码和两位二进制命令编码组成，用D2D1D0表示。初始化时，x0＝000，在q1使得运行状态编码为1，即xi的最高位为1，从而可以按照工作命令编码转移到q1、q2。x1～x4条件编码分别为100、101、110、111，如图12所示把一个复杂的程序用按照状态转移关系和转移条件编码，很容易的用程序语言来实现。

图4中DC/DC变换器有三个不同的输入源，主要的输入源V₁和V₂分别是额定功率P₁＝750W开关磁阻风力发电和额定功率P₂＝250W太阳能光伏发电两种清洁能源，输出电压分别为V₁＝350V～420V，V₂＝180V～250V。输入源V₃是输出为400V额定电压P₃＝1kW燃料电池。现分别介绍三种输入源。光伏电池：

250W光伏电池参数：V_m＝30.5V，I_m＝8.2A，V_oc＝37.7V，I_sc＝8.85A由8块光伏电池串联：V_m＝30.5*8＝244V，I_m＝8.2A，V_oc＝37.7*8＝302V，I_sc＝8.85A，电池在标准状态下(1000W/m²，25℃)，输出P₁＝2kW，10组并联P₁＝20kW，V_m＝244V，I_m＝8.2*10＝82A，V_oc＝302V，I_sc＝8.85*10＝88.5A

$I=I_{ph}-I_o\[\exp \frac{q(V+{\mathrm{IR}}_s)}{AkT}-1\]-\frac{V+{\mathrm{IR}}_s}{R_{sh}}$ 其中，T_air是环境温度，S是光照强度，T_air和S根据实际情况随时变化。设置禁带宽度值可以得到对应太阳能电池在标况(S_ref＝1000W/m²，T_ref＝25℃)下的参数。

开关磁阻风力发电系统：采用4相8/6极开关磁阻发电机，给定参数为：电压V_o＝220V，风力驱动T＝3N·m，输出电流Io＝4.8A，额定转速为1500r/min，额定功率为750w，绕组电阻R＝0.15Ω。Lmax＝110Mh，Lmin＝10Mh。

微电网中通过变换器的调节使直流母线的电压一直保持在380v，当输入源产生的输入电压大于380v时，要用Boost变换器降压，当输入电压小于380v时，要用Buck变换器升压，输入变换器应同样继承了这一特性。现假设风、光、燃三种输入源，利用多输入直流变换器分时或同时向负载供电，在理想状态下，推演出一天中24小时输出功率与开关状态的变化(各时段开关时间相等)，根据输入电压的参数，输出功率随时间的变化，如图13所示。

图13中个状态时间一致，0到t1时刻，是风能单独工作，t1到t2时刻是风光同时工作，t2到t3是光单独工作，t3到t4是光燃同时工作，t4到t5是燃料电池单独工作，t5到t6是风燃同时工作，t6到t7是风光燃三输入同时作。

本系统的控制过程由有限个子功能构成，这些子功能之间的转移条件是有限的，并且在任一时刻总是处于某一确定的状态，由此可以用有限状态机的控制方式来构建输入源的工作状态，做为开关状态的一种控制方式。

用有限状态自动机构建多输入变换器的开关状态，其8个开关状态对应为状态机S的集合：风光燃同时断开状态(S0)、风力单独状态(S1)、风光混合状态(S2)、光伏单独状态(S3)、光燃混合状态(S4)、燃料单独状态(S5)、风燃混合状态(S6)、风光燃混合状态(S7)。X为7个输入事件的集合：t0时刻、t1时刻、t2时刻、t3时刻、t4时刻、t5时刻、t6时刻，如图14所示。

该控制系统包括以下功能子程序：初始化子程序(风光然同时断开状态)、风力单独子程序、风光混合子程序、光伏单独子程序、光燃混合子程序、燃料单独子程序、风燃混合子程序、风光燃混合子程序、结束子程序，分别用状态qi表示；转移条件xi由一位当前程序执行状态编码和三位二进制操作命令编码组成。初始化时，x0＝0000，其他转移条件的编码为：1100、1110、1010、1011、1001、1101、1111，如图15所示。

有限状态机用Matlab/Stateflow工具形象表示，该仿真工具可以解决何必多问题，该工具能够实现这种要表示的状态转换。把Stateflow构建的状态机模型嵌入到Simulink中，Simulink会把Stateflow状态机模型转换成程序语言来进行仿真。对于上述微网输出功率波形，主要由不同输入源状态太下的7个输出功率数值组成，分别用状态机输出的数字3、4、1、5、4、7、8、0表示。利用Stateflow仿真输出的数值，表示控制多输入变换器开关的输入端。图16为状态机，即上述八种状态之间的状态转移图，在输入的时刻脉冲触发下，八种波形依次转换；Stateflow状态图建好后，将其放入Simlink模型中进行仿真。如图17为建好的仿真模型，包括触发衡量，是状态机的输出图形化。稳定脉冲使其有形象的波形输出。

图18为状态机的输出，通过输出的数值控制多输入变换器开关的使能端，从而可以确定每种波形之间的轮换时间，横坐标代表了一天的时间，各状态时间是相等的。从状态机的输出看和功率的变化趋势是相同的。

仿真中给状态机加一个脉冲，使控制系统输出波形，如图19所示。可以看出，仿真得到的波形和上述输出功率比完全吻合，表明使用该控制系统，能够有效的控制多输入变换器的开关状态。

由微网运行状态表知间歇状态时输入源为风力发电和光伏电池，无储能连接状态时输入源加入了燃料电池，两种状态转换可以构造如图20的状态转移图，以该转移图为例可得到如图21的输出功率图。

对于上述的输出功率波形，由不同输入源状态太下输出功率的4个功率数值组成，分别用状态机输出的数字3、4、3、8表示。利用Stateflow仿真输出的数值，控制多输入变换器开关的输入端，使状态机输出在驱动脉冲下按照顺序进行。图22为间歇状态到无储能连接状态的状态机控制模型。

状态机建好后，同样使用嵌入Simlink仿真模型的方法，如图23做好仿真模型。用Simlink工具将状态转移图编译为c语言，做为控制程序，得到状态机的输出，如图24。通过给定触发脉冲使之输出波形，如图25，观察该波形和输出功率同样一致，再次证明控制系统的有效。

根据前文选取微网运行时间歇状态到无储能连接状态的情况，构建了状态机控制系统，比较输出波形与输出功率变换图，完全一致。如图26-28所示，将所有微网运行状态的典型控制系统表示出来，通过仿真来证明是否具有代表性。

同样，依据这种状态转换建立相应可控的状态机模型如图29-31所示。并得到每种状态机的输出波形如图32-37所示。

前面以输入源的工作状态及多数如变换器的开关状态来构建了状态机模型。用Matlab将该控制系统进行仿真，得到状态机的输出波形。取特定的输入源，以其输出功率做为对照，发现状态机的输出波形和实际的输出功率形状基本吻合，以此证明了控制系统的适用性。由于系统中用到了触发脉冲和输入衡量等触发器件，为排除这些因素对状态机输出的影响，进一步证明控制系统的可行性，选取相同的状态机模型，在嵌入Simlink仿真模型中改变输入衡量，其他设置不变，通过最后状态机的输出来进行验证。图38是选取了‘1’、‘-1’、‘100’、‘-100’4个衡量，每次直接入一个衡量共四种方式。图39则是每次接入两个不同的衡量，也有四种状态。四个衡量都具有代表性，分别反映了正负性和数值不同时的情况。

状态机模型选择不变，如图16。仿真时分别改变开关，得到如图18与19的状态机输出和输出波形。对比发现状态机输出并没有改变，这证明了不论输入衡量的正负及数值的大小还是多个不同输入衡量同时作用，都不改变状态机的输出。

前面验证了一个状态机控制系统不受输入衡量的干扰和其运行的有效性。在实际应用中，多输入变换器的开关状态并不是由一个状态机进行控制，而是需要多个状态机并联分时或同时共同运行，来保证负荷的正常供电。下面如图40，我们选取一种最基本的由多个不同状态机并联的仿真模型，输入衡量都相同，状态机模型分别对应图26-28的模型0、1、2、3，观察输出波形。

图41是多个状态机并联后系统的输出波形，不同颜色的波形分别代表不同状态机的输出，如图42，同一个时段里状态机的输出波形和各状态下的输出功率相同，通过对比发现多个状态机的并联彼此并不影响状态机的输出，依然按照事先设定好的状态转移方式运行，证明了该控制系统的多样性。

以上实验的操作过程原理就是选取微网的某个运行状态，将该状态下输入源的转化用转移图描述，以此来构建状态机做为控制系统。为了验证控制系统不会改变输入源的输出功率及它的有效性，用仿真系统将其实时的输出表示出来，与输出功率条形图对比，结果表明两者一致，证明方案可行。通过仿真波形发现个情况下状态机输出均与输出功率条形图形状一致，说明该控制系统是合理的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于状态机多输入直流变换器开关状态的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

A、判断间歇性电源的输出电压是否大于预设值，如是，则间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B；

B、判断连续性电源的是否有电压输出，如有电压输出，则连续性直流变换器开关闭合且给储能装置充电并执行第一判断步骤，如无电压输出，则执行步骤C；

所述第一判断步骤：执行步骤A，且在步骤A中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B；

C、储能装置直流交换器开关闭合并执行第二判断步骤；

所述第二判断步骤：执行步骤A，在步骤A中，如是，则当前闭合开关断开且间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，如否，则执行步骤B，在步骤B中，如是，则当前闭合开关断开，间歇性直流变换器开关闭合并给储能装置充电，执行第一判断步骤，如否，则执行步骤C；

当控制器检测储能装置充满电时，断开储能装置充电开关。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，在控制方法过程中三类输入源的优先级顺序为间歇性电源、连续性电源及储能装置。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法中三类输入源运行呈现八种状态，其八种状态分别为停机状态、间歇状态、无储能状态、连续性状态、间歇性稳定状态、连续性稳定状态、紧急状态及综合状态。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述间歇状态、无储能状态、间歇性稳定状态及综合状态的运行中间歇性电源处于工作状态输出受环境影响改变存在较大波动采用最大功率跟踪控制。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，所述无储能状态、连续性状态及综合状态的运行中连续性电源处于工作状态能源充足且功率可调采用PQ控制。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述间歇性电源采用的是风力发电和光伏发电。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述连续性电源采用的是燃料电池。