本文是一篇电力论文，本文构建了由光伏、储能、柴油发电机、智能微电网管理系统结合不同电能变换控制算法于一体的机动式光-柴-储微电网系统，开展鲁棒非线性控制算法、硬件电路设计、样机研制与测试等关键技术研究。
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
一方面，当前和未来，为满足灵活、机动遂行不同空间、不同任务的作战需要，减少电源架设成本，减轻后勤电力支援压力，降低油料运输保障风险，减少/取代由通信、计算机和其他电子设备所组成的指挥与控制系统对储能电池、便携电源、发电机组等传统电源供电需求，作战部队需配备可替代电源，实现战场上的电源自补给，减少作战平台和系统的发电支援需求，降低机动作战行动的辎重总量[1-2]。有资料表明，在阿富汗战争进行的一项关于后勤再补给的研究发现，燃料和水源占再补给总额的60%，且每运输50次燃料和水，就有一个海军或民间承包人在运送行动中伤亡[3-4]。很明显，减少“流体后勤运送”量在作战中非常必要。
另一方面，传统的野战供电系统，主要依赖各种功率的发电机、储能电池和UPS装置来满足电力需求[5]。但是，随着单兵用能增加以及指挥和通讯设备对电力的需求日益加剧，仅依赖发电机和储能电池的供电方式已经不能满足现代军事行动的需求[6]。这种供电方式存在的主要问题包括电能来源渠道单一，目标特性明显，油料消耗量大，补给压力重，以及运输风险高等[7]，而拓展电能来源渠道并实现联网供应，电能的接入、组网、变换、分配、管理要比过去复杂得多，必须依靠单独的装置实现以上功能，以便完成传统野战供电系统（器材、装置）的升级改造，推进军事能源结构转型，实现单兵、班组、分队、作战集群等用电对象的可靠供电[8]。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电能路由器军内发展现状
尽管军内尚未正式确立电能路由器的理论框架或技术架构，也未正式定义军用电能路由器的概念，但是，全球各军种已经开始采用这种相似的技术结构（电能路由器）来开发新型的军事供电系统，旨在增强供电系统的可靠性、灵活性和安全性。实际上，在现有的供电网络中，已经可以观察到电能路由器的基本概念和技术初步形态[12]。
2015年3月，美国国防部能源与动力相关小组发布了《能源与电力路线图》（以下简称《路线图》）。《路线图》符合国防部《作战能源战略》和各军种能源目标要求[13]，旨在通过提高能效降低作战燃料能源补给费用，满足先进武器和传感器的电力需求，同时促进民用电力与能源系统发展。能源与动力相关小组由陆、海、空及负责研究和工程的国防部副部长办公室相关单位构成，该小组目标是通过智能、高效的能源与动力管理技术提高作战效能[14-15]。《路线图》综合考虑了发电与能源转化、电力控制与配电、热量传递与控制、储能、机电转化五个技术领域，结合作战应用实际，提出战术能源独立、自主平台动力、灵活电力网络、能源优化平台、高能武器及传感器五个应用领域，并提出了相应的关键技术发展目标[16]。其中在战术能源独立应用领域提到了发展可现场装配和维修的模块化动力系统，利用智能动力管理系统实现快速重构，维持供需平衡；在自主平台动力应用领域提到了根据传感器、武器等任务负载调整能源供应[17]；在灵活电力网络领域中，通过智能电力管理和配电技术，根据负载需求自动配置电力，提到了实现供电预测与控制，提高供电效率[18]；在能源优化平台领域，提到了构建基于用电需求的电力系统架构，增强电力系统可重构性[19]。以上都是电能路由器的功能范畴，可以看作是换了说法的电能路由器技术架构。
第二章 光-柴-储多源互补电能路由系统模型建立与分析
2.1 系统总体电气拓扑结构分析
PVDS-EPRS以电能路由器为核心，采用分布式直流微电网拓扑架构，基于非线性鲁棒控制算法，最终实现了全系统所涉及微源-微网-负荷的功率灵活分配和稳定控制，总体电气拓扑结构如图2-1所示。
图2-1中，分布式微源包括光伏（Photovoltaic，PV）、锂电池储能和柴油发电机组。电能路由器由双向有源桥、电压源型ACDC等变换器模块组成，构成双向多端口（三个双向直流端口、一个双向交流端口）结构。负载可以为直流型负载（例如通信、指挥控制、计算机等），也可以为交流型用电负载（例如驱动电机、雷达、火炮等）。光伏PV可实现白天一定光照强度下的发电。柴油发电机组DSG可以实现光照不足条件下的电能补充发电。锂电池储能单元BA是PVDS-EPRS的能量缓冲单元，用来平衡瞬时功率。电能路由器三个直流端口采用电气隔离DAB拓扑结构，可以连接直流微源PV、BA，也可以连接直流负载DCL。电能路由器交流端口连接柴油发电机组DSG。
2.2 光伏发电系统模型分析与最大功率跟踪控制
光伏发电系统通过直流端口的最大功率点跟踪控制（Max Power Point Track，MPPT）算法和和限功率控制算法，实现光照条件下的最大太阳能可靠收集。
2.2.1 光伏发电系统数学模型模型分析
太阳能电池主要可以分类为硅半导体、化合物半导体以及有机半导体太阳能电池[53]。硅半导体太阳能电池包含单晶硅、多晶硅及晶硅薄膜电池等类型。化合物半导体太阳能电池涵盖如砷化镓（GaAs）、铜铟镓硒（CIGs）、碲化镉（CdTe）及某些氧化物半导体电池。有机半导体太阳能电池则分为分子晶体、电荷转移络合物和高聚物三种[54]。
在目前国内市场上，晶体硅电池和非晶硅薄膜电池是主流太阳电池。单晶硅电池作为技术最成熟且效率最高的硅基太阳电池，目前的商用电池效率范围为14%~24%，曾经占据最大的市场份额[55-56]。多晶硅电池的转换效率稍低，大约在13%~15%，但生产成本更低，因此，已成为市场上产量和占有率最高的太阳电池类型。
晶硅类太阳能电池因其高的光电转换效率、长期稳定的产品性能、较低的成本以及较长的使用寿命，得益于其成熟的制造工艺，在光伏发电领域得到了广泛应用[57-58]。而非晶硅薄膜太阳能电池，尽管其转换效率相对较低且需要更大的安装面积，但它们在低光照条件下的表现优于晶硅太阳能电池[59]。
论文选用单晶硅光伏电池串并联构成光伏发电系统。单晶硅太阳能电池具体结构就是PN结半导体结构。其实际工作原理就是：当未受阳光照射时，电池内部P区域带负电，N区域带正电；当电池表面接收到太阳光的照射时，吸收一部分辐射能量激发光子使其产生大量电子-空穴对，带负电，空穴带正电。在电场的作用下电子向N区聚集，空穴转移到P区，由于内部的电位差异，导致正、负两种电荷的方向流动，从而产生了电流[60-62]。
第三章 多源互补电能路由系统非线性鲁棒控制算法实现 ................ 31
3.1 非线性 L2增益控制算法 ....................... 31
3.1.1 系统无源性和稳定性 ........................ 31
3.1.2 g-耗散性和 L2性能准则 .......................... 32
第四章 电能路由器软硬件电路设计与分析 .................. 59
4.1 直流端口电路关键参数及硬件电路设计 .................. 59
4.1.1 主功率拓扑电路参数设计 .............................. 60
4.1.2 直流电压、电流信号采样电路设计................ 62
第五章 PVDS-EPRS 运行测试与分析 ................. 82
5.1 样机系统搭建 ................................... 82
5.2 样机系统测试 ............................ 82
第五章 PVDS-EPRS运行测试与分析
5.1 样机系统搭建
为验证论文所设计软件程序及硬件电路的的有效性，搭建了基于电能路由的微电网实验平台，并进行了测试实验。电能路器样机实物如图5-1所示。
第六章 总结与展望
6.1 总结
PVDS-EPRS系统改善传统野战部队供电装备电能来源渠道单一、目标特征明显、油料消耗多、补给压力大等缺陷，实现能源多元化。本文构建了由光伏、储能、柴油发电机、智能微电网管理系统结合不同电能变换控制算法于一体的机动式光-柴-储微电网系统，开展鲁棒非线性控制算法、硬件电路设计、样机研制与测试等关键技术研究。总结本文主要完成的工作为：（1）阅读大量国内外相关文献，调研了光-柴-储多源互补电能路由系统的研究背景，详细阐述了电能路由军内研究现状、鲁棒非线性控制的研究现状及微电网稳定控制的发展现状。
（2）结合部队班组供电系统项目，确定了光-柴-储多源互补电能路由系统的整体拓扑结构，详细介绍了光伏发电单元、储能单元、永磁柴油机发电单元等的工作原理和特性，对储能单元和永磁柴油机发电单元进行数学推导建立非线性数学模型。
（3）首先介绍无源系统设计、非线性L2增益控制、精确反馈线性化等鲁棒控制相关理论，阐述并推算电能路由DAB、永磁同步发电机VSR的非线性鲁棒控制算法，实现降低外部扰动、系统非线性及模型不确定对系统大范围稳定运行影响，保证永磁整流发电系统大范围快速稳定控制，并进行了仿真对比验证。
（4）对光-柴-储多源互补电能路由器进行样机直流、交流端口器件参数设计及器件选型，详细介绍了直流、交流端口的主电路模块、驱动电路模块、采样电路模块的硬件电路及工作原理，并给出电能路由器软件设计流程。
（5）对PVDS-EPRS样机系统在储能电池组充电、储能电池组放电、光伏输入功率变化、交流输入电压波动等不同运行状态下系统
