3多分布式发电单元微电网的电能管理策略.docx

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3多分布式发电单元微电网的电能管理策略

多分布式发电单元微电网的电能管理策略

摘要

本文解决了在一个多重分布属的微电网中实时动态的带有电子接口分布属单位的电力管理战略。

重点是电子接口分布属的单位。

电力分布属控制和电源管理策略，是基于当地测量的信号，而并非交流而来。

根据采取的动态控制，确定和调查了三种电力管理策略。

这些策略是基于：

1）电压跌落特性2）电压调节3）负载动态电力补偿。

基于频率跌落特性和免费的频率恢复策略控制每个分布属单位的实时电力。

有系统的方法来开发一个小信号多重分布属微电网的系统的方法也是存在的，包括实时动态的电力管理策略。

基于已开发模型的微电网特征结构是用于1）调查微电网动态的动态行为，2）选择分布属单位的控制参数3）分布属控制器上纳入电源管理策略。

该模型还用于调查参数和控制点的改变以及优化微电网系统性能的设计的敏感性。

结果用来讨论在各种微电网操作条件下计划的电源管理策略的应用。

关键词：

分布属，衰落特性，特征分析，微电网，电源管理，实时和动态功率控制，小信号动态分析。

一.导言

以分布属、分布式储存或者两者混合的形式的分布式资源的增殖带来了微电网的概念[1]-[3]。

微电网被定义为分布资源的单位和负载的集群，由分布系统服务，并能够在1）并网模式2）孤岛（自治）模式3）架于两种模式中运转。

支持微电网形成的观点是由多个发电机和集成的负载组成的一张表格，其要如同一个可行的电力系统一样足够可靠，经济可行。

功率管理战略（PMS）需要带有多重（多于两个）分布属单位的微电网的稳健运转，特别是在运转自治模式期间。

相比大型互联电网，为微电网的电力管理战略的快速响应更为关键。

原因是1）有着不同功率能力和发电特点多重小型分布属单位的存在2）在运转的自主模式中发电能量的非主导来源的存在3）电子接口分布属的单位的快速响应，如果得不到适当的供给，它会多样化的影响电压/角稳定性。

微电网电力管理战略给分布属的单位分配实时动态电力参考，1）有效的分享分布属的单位中负载的实时/动态需求2）由于系统的运转模式的变化对于干扰和瞬变的快速响应3）确定分布属单位的最终电力属设定值来平衡和恢复系统的频率4）带有主电网再连接的自主微电网的再同步过程提供一个方法。

微电网的电力管理战略和对分布属单位的控制的影响既没有充分了解也没有在技术文献中得到全面的调查。

本文的主要目的是弥补这个缺陷。

为了调查多种电力管理战略，来介绍一种三个分布属微电网学习系统。

该系统包括两个电子接口分布属的单位和一个传统的同步电机分布属单位。

就电力管理战略需要和对微电网行为的影响来说该系统代表了辐射状微电网的所有特征。

本文还提出了一种方法，来系统的开发为特征研究的微电网的小型信号动态模型，在这个模型中也考虑到了自主微电网频率的变化。

该模型是通用的，可以容纳任何微电网配置和分布属的单位的数量。

该模型用于1）调查动态行为2）选择分布属单位的控制参数3）在分布属控制器中嵌入各种电力管理战略，调查它们对研究微电网的行为的影响。

本文的其余部分安排如下。

第二节概述介绍了微电网学习系统。

第三节和第四节讨论电力管理战略的需求并提出三点适于研究微电网的电力管理战略。

第五节和第六节处理小信号模型及微电网系统的分析。

第七节和第八节总结了提议的电力管理战略并从研究系统的特征分析中得出结论。

二.微电网系统

图1展示了用于调查可能微电网电力管理战略的13.8-千伏分配系统的单线图。

该微电网系统包括传统的分布属单位，即分布属单位1（1.8兆伏安），连接到支线1，两个电子接口分布属的单位，即分布属单位2（2.5兆伏安）和分布属单位3（1.5兆伏安）的，分别连接支线3和4。

分布属单位1代表一个慢速响应的分布属单位，如装备有起火器和管理控制系统的柴油发电机或燃气装置。

分布属单位2和分布属单位3能迅速动作，并可迅速发送的资源。

假定分布属单位2和3每个都有能力对系统独立地提供可控制有限制的的实时动态的电源，它是基于预先控制命令。

应当指出本文中讨论的电力管理战略只适用于可快速派遣的分布属单位。

非可快速派遣的资源是基于最优控制的发电计划，以提供最大可用功率[4]。

这三条分布属单位线路的系统可用于调查可能的相互作用现象1）在电子接口分布属单位中2）在电子接口分布属单位和传统的分布属单位之间3）在分布属单位和网络之间。

本文的重点在通过电压源性转换器（VSCs）用电的主机与分布属单位的结合部，研究其相互作用现象和小型信号的动态特征。

传统的分布属单位的动态行为相对比较熟悉[5]所以不在本文的重点中。

三.微电网的电源管理策略

不管微电网的运转模式，即1）电网连接2）孤岛（自主）3）两种模式之间的转变，所采取的电源管理战略在电压/角稳定性、电能质量、并为消费者提供服务方面对系统运行行为有直接的影响。

在一个微电网系统中，对比于相互联系的电源系统的运转体系，分布属单位中没有能够作为旋转储存或者后备部分。

在电网连接模式中，分布属单位预计提供预先确定的电源，例如尽量减少来自电网进口的电源（调峰）。

这种需求是根据系统不同而改变的。

在电网连接模式中，相似于传统的使用系统，每个分布属单位都可控制来产生预先的实时动态的电源部分（PQ-线路）或者产生预先的实时的电源并规范终端电压（PV线路）。

这个使用电网将支持实时/动态电源需求并维持其频率。

[6]

在运转的自主模式下，每个分布属单位的可用电源必须达到微电网的最终负载需求；否则，系统必须进行减载，以配合发电和电力需求。

另外，快速，灵活的实时/动态控制的战略，以最大限度地减少微电网动态变化，例如由于孤岛和降低系统振荡。

本文主要考虑到当分布属单位之间没有交流存在时基于本地测量信号的电源管理战略。

因此控制器应基于本地信号来运转。

应达到的电源管理战略的主要特征如下：

•在减少系统电源损失时分布属单位之间的负载共享；

•考虑每个分布属单位的具体限制，包括分布属单位的类型，发电花费，主要来源的时间依赖，维护周期和环境影响；

•保持电能质量除了电压配置，电压波动和谐波失真；

•改进的动态响应，维护边界稳定及电压/频率系统恢复期间和之后瞬变。

在图1建议的微电网系统中，分布属单位1配备了带有相对慢速响应的实时动态电源控制的管理和激发系统。

因此，分布属单位1在瞬变和小型信号动态变化期间不能快速的进行系统的电源管理。

然而它可以参与到慢速动态的和稳定状态的电源管理。

四.一个电子接口的分布属单位的电源管理策略

图2显示的是一个电子接口分布属单位的控制系统、电源管理系统和接口媒体（VSC）的块分布。

该系统采用独立的实时/动态的控制策略，以确定单位[7]需要的输出功率。

如单位[8]描述的在一个dq0参考框架中实施控制，其决定了交流侧电流的d-和q-轴部分。

电流的的设定点由电源管理模块确定。

D轴电流部分的设定点决定了这个单位的实时电源属。

同样q轴电流部分的设定决定了这个单位的动态电源插入和吸收。

信号处理模块和锁相环（PLL）用于作为控制系统的complimentary部分（见图2）

来处理分布属单位测量电流和电压并以此估计分布属总线的本地频率。

这种频率估算用于同步和在瞬变期间独立追踪分布属参考框架的相对角度[7]。

本文重点在于确定实时动态的电源控制策略和d-和q-轴电流参考系的计算。

电源管理系统包括两部分：

1）就分布属的共藕（PCC）而言这个实时发电块决定基于频率变化单位的实时电源输；2）动态控制块规范了相关分布属总线或者补偿终端相连负载的动态电源。

电源管理系统的两个主要构建块在下面两段进行解析。

A实时电源管理

电子接口分布属单位的实时电源属是基于频率衰减特性[9]和频率和频率储存算法[10]。

在运行自主模式期间，这种方法选自当没有分布属单位可以独立的增强系统的基础频率时微电网的频率特性自由变化。

这种频率反常现象可由引入频率频衰减特性来限制，在快速反应电子接口分布属单位中这种特性将微电网的频率作为一种通信方式来动态的平衡孤岛微电网的实时电源属。

在电网连接模式期间，系统的频率被确定，分布属单位的实时电源属由指派给单位的实时电源参考系来控制。

图3显示的是一个微电网的电子接口分布属单位的通用实时电源管理块。

输入这个块的是本地的频率（），有传统的锁相环（PLL）应用总线电压[11]来估计（见图2）。

块的输出是单位d-轴内部电流控制器的参考电流，相对应于单位的实时电源参考系（）。

实时电源参考系是

当PD对应于当地频率变化，由频率衰减特性来决定，用于对负载供给足够的电源或者减弱电源震荡，PRS用于储存系统的稳定状态频率。

典型的频率衰减特性显示在图4中，在其中显示了第N个和第M个电子接口分布属单位的w-P特性。

w-P特性可以用数学公式如下表示

KUN代表第N个分布属单位的特性斜率，w0代表微电网的参考频率，PON代表分配给这个单位繁荣初始电源属。

在这个例子中，多重分布属单位有服务一个微电网的不同功能，w-P特性的斜率应满足于

其中，SGn和SGm分别为该单位的次额定功率的能力。

公式（3）表示在分布属单位成比例的单位的能力中共享负载需求。

为了恢复孤岛模式的微电网的频率，需要一个如图3所示的频率恢复算法。

这个频率的恢复期是从该系统的本地频率中偏差提取的，使用大时间常数的控制器。

该频率的恢复期是

Kprs和Kirs代表控制器中成比例的整体的收益。

实时电源控制器的状态空间模式的推导见附录A

B动态电源管理

三种策略的定义，其中控制电子接口分布属单位的动态电源，1）用于防止终端电压偏差，此电压使用预先设定的V-Q特征[12]；2）为了在特定的负载总线上达到电压规范；3）补偿基于电源因素的负载设定点的负载动态电源需求[13]。

这种动态电源策略在下面各节做出了解释。

1）策略1：

电压衰减特性：

图5（a）显示的是基于电压衰减特性的一个动态电源控制策略，包括V-Q特性来决定这个单位的动态电源参考Qref和一个分配给q-轴电流iqn（ref）的PI控制器。

输入块是在分布属单位的分布属的共藕（PCC）上的电压的rm值。

一个预先设定的V-Q特性用于决定这个单位的动态电源参考。

该PI控制器指定相应的q-轴电流设定点调整该单位的动态发电，Qout，对应参考值。

因此该电子接口分布属单位的动态电源随着总线电压的偏差而变化。

所以，此电子接口分布属单位响应由系统或者本地负载产生的电压偏差。

典型的电压跌落特性如图6。

V-Q特性的斜率可以根据每个电子接口分布属单位的终端电压所许可的变化范围来计算，其由多重分布属单位斜率关系由下式得出

在此Kvn和Kvm是指分别对应于第N个和第M个单位的V-Q特性的斜率。

公式（5）说明第N个分布属单位的V-Q特性斜率与其额定功率的能力成正比，SGn。

一个基于电压衰减特性的动态电源控制器的状态空间模式可以在附录A中查找。

2）策略2：

电压调节：

图5（b）中描述的是基于电压调节的动态电源控制策略。

控制这个电子接口分布属单位的动态功率来调节在预定水平的分布属的共藕（PCC）电压（正常为1pu）。

因此此控制策略可以解释为电压衰减特性的一个特殊形式，那里的VQ特点切线设置为零，并指定单位动态功率参考。

图5（b）中通过一个PI控制器iqn（ref）来自关于预先设定的参考电压的终端电压的rm值偏差。

这种动态电源策略只适用于供应敏感负载的微电网系统的主线，这些负载对于电压波动限制严格。

附录A提出的方法可以用来推导出基于电压调节策略的动态功率控制器的状态空间模式。

3）策略3：

功率因数校正：

这种策略通常用来提高功率因数，以通过快速动态功率变化特性来满足一个负载动态功率需求[13]。

微电网系统采取这种控制策略应用连接负载总线的分布属单位来补偿本地负载动态功率。

因此，在不管负载的变化情况下，负载功率因数被分配在一个预先设定值。

动态功率补偿块如图5（c）。

分布属单位电流iqn（ref）的q-轴部分参考值由下式给出

其中iqload是负载电流的q-轴部分，mpf是补偿因数。

补偿因数mpf、负载功率因数pfl和需求功率因数pfc关系如下

在（7）中mpf=0代表无补偿（pfc=pfl），mpf=1时表示负载动态功率满补偿（pfc=1.0）.附录A中的方法可以用来推导基于功率因数校正的动态功率控制器的状态空间模式。

五。

微电网的小型信号动态模式

微电网系统的线性数学模型（见图1）的标准形式是

其开发是为了：

1）设计的控制器2）调查功率管理战略（PMS）的适用性3）检查系统参数变化的敏感性4）分析在内外部干扰后系统的动态变化[14]。

已开发的小型动态模式也考到自主模式期间微电网的频率变化。

图7显示的是图1的微电网系统的小型信号动态模式下自主模式期间的块表示。

该系统由四个子系统，即：

1）分布属单位1及其激发和控制系统相连接的总线-1；2）分布属单位2及其实时/无功功率管理控制器在总线3上的连接；3）分布属单位3及其相应的实时/无功功率管理控制器在总线连接-4；4）网络包括干扰线路、负载和连接到微电网分布属的共藕（PCC）上的固定电容器。

该线和不断负荷一系列代表在每个阶段连接RL分行和在适用情况下混联起来，在数学上由不同的公式表示。

负载中非线性和变化的部分，例如，图1中的总线3和4在基础频率下由等价的电流表示，其被视为网络子系统的输入部分。

为了开发整个系统的线性数学模型，首先，要制定每个子系统的状态空间代表。

之后将其转变为一个全体的参考框价并且如图7的[8]所示基于输入/输出关系将这些连接起来。

该建模方法是一般性的，可以扩展到表示常规的分布属单位和电子接口分布属单位的任意数量的微电网。

图7中表示一个系统的方法开发每个子系统的小型动态模式，建设总体模型（8）的细节[8]。

附录B和C分别简述了电子接口分布属单位和常规分布属单位的小信号动态模型，来表现出微电网模式下合并功率管理战略（PMS）的过程。

六小型信号的动态变化

（8）中的线性模型用于图1中在自主迷失下微电网小型信号的动态变化。

表1中表示的是微电网的最初的稳态工作点。

在这个工作点下，分布属单位1、分布属单位2和分布属单位3主要供应他们的本地负载，例如负载-1、负载-3、负载-4和负载2分别由分布属单位的过量功率供应。

A系统振荡模式

对于给定的工作点，系统是稳定的，表2中显示了该系统的相应的两个案例的振荡模式的特征值。

•案例一：

实时间的和动态的分布属单位2和3的功率管理策略是以频率衰减和电压衰减特性为基础的。

•案例二：

这个案例相似于案例一，但是在分布属单位3的动态功率管理上有所不同，其是以电压调节特性为基础的。

表2显示了在功率管理战略下微电网系统展示的12个复杂的共轭特征值对。

特征值1至22对应于电气模式和控制模式，也代表了各单位之间或单位和网络之间的相互关系。

特征值23和24就代表关于其他系统的分布属单位1的机械振荡模式。

除了对应特征值对（23，24）的震荡模式，表二的所有其他系统的振荡模式具有很高的自然频率和/或高阻尼。

因此，随着一个干扰后他们迅速衰减到零，并在系统的时间响应的影响并不明显。

特征对（23,24）代表了振荡模式，其对应于带有电子系统的分布属单位1的机械震荡模式，震荡模式有低频率而且有相对较低的阻尼。

所以在干扰后他对系统响应有严重的有害的影响。

因此，每次干扰后，分布属单位1的机械震荡对主导系统的动态行为的机械振荡。

这些震荡将经历几秒并对微电网的行为有不利影响，例如电力波动。

惯性模式的频率主要依赖于分布属单位的初始装载，大约在0.1到3赫兹变动。

表二表明，分布属单位1的机械振荡模式下的阻尼和频率没有显着的受微电网采取的功率管理战略（PMS）的影响。

表三显示各系统的状态变量达到震荡模式参与案例一。

参与的因素被标准化，如最大值在没行都是统一的[15]。

小于价值0.1参与因素不列入表三。

例如，参与的因素说明所有分布属单位的控制系统的状态变化量对代表特征值23和24的电子机械模式有显著的影响。

表3还表明，状态变量对应的分布属单位的定子绕组和网络，1至3行，明显有助于大多数系统的模式。

这表明一个事实，忽视分布属单位定子的动态和配电线路也可能导致错误的结果。

应用表3中所给的参与因数通过他们的控制系统可以得出特征值对（19，20）和（21，22）在分布属单位之间对应的相互关系。

表2说明这些模式的阻尼和频率高度依赖功率管理策略。

这些模式的频率一般变化几赫兹，如从5赫兹到55赫兹。

所以为了准确的预测这些模式的行为，电子网络必须作为一个动态的系统（例如，通过不同的普通公式）并不能作为一个基于向量方程的静态系统。

代数表示对此类研究[12]和[15]既可以消除这种振荡方式或通过真实特征代表他们，尽管作为震荡模式他们存在，甚至可以表现出低阻尼。

B灵敏度分析

敏感性分析可以揭示系统和控制器特征值的依赖性，还可以鉴别控制参数中的可接受的变化范围。

1）对分布属单位操作点的影响：

图8显示特征值的位点，其对应的分布属单位1机电模式作为分布属单位2和3输出实时/动态功率，从0.3-MW/0.15-MW上升到2.1-MW/1.05-MW来代替0.3-MW/0.15-MW。

对于分布属单位2和3所采取的功率管理战略是基于频率衰减和电压衰减特性的。

图8显示了特征值的位点三个层次的补偿，分别是mpf=0.8、1.0和1.2相应的（七）给出的80％，100％和120％补偿。

图8还显示出随着分布属单位2和3功率贡献的增加，电子机械模式的阻尼和频率也在增加。

在分布属单位2和3（电子接口分布属单位）的实时功率输出的增加方面主要是减少了分布属单位1的实时功率供应，以维持在孤岛模式期间发电和消费的平衡。

为了进一步增加电子接口分布属单位实时功率，以证实在特定点后对系统震荡模式中工作点的变化的影响，就如图8所示，在分布属单位1对微电网的实时发电作出贡献的同时，微电网的负载需要增加才能维持功率平衡条件。

图9说明了相应的振动模式的特征对（5,6）的位点有相同的实时和无功功率变化如图8描述的那样。

特征对（5,6）代表一个对分布属单位和微电网其余部分振荡的互动模式，而且它的阻尼和频率高度独立于微电网的工作状况。

图9显示这种模式由于增加分布属单位2和3的实时功率输出可能变得不稳定。

图9也显示这种模式对于通过微电网和无功功率补偿的高级状态来说带有无重大功率流的工作点是边界稳定的。

在图8和9中的特征值移动的方向与其他相反，是随着分布属单位2和3的实时功率输出增加的。

这种行为证明了电子接口分布属单位在稳定系统的重要作用。

然而这种系统的稳定性在无功功率过量补偿下只是边缘性的（图9中mpf>=1.0）。

这表明当被指派的分布属单位来当地补偿这些负载的无功功率需求，并将它的大多数功能提供给微电网的实时功率需求基于策略2（电压调节）或者3（功率因数修正）的无功功率管理是恰当的选择。

2）灵敏度控制参数：

系统的特征值的灵敏度变化与实际功率控制器Kpd2/Kpd3的收益、无功功率控制器的收益Kpq2/Kpq3成正比，图10-13表明了分布属单位2和3的收益。

图10显示了在0.001到0.2之间的范围内，对于Kpd2变化的微电网三对主要特征值的位点。

同时也表明通过增加Kpd2，特征值（5，6）离开右手螺旋（RHP）同时只有在左手螺旋（LHP）特征值（3，4）和（7，8）将被代替。

图11中在0.001到0.2之间的范围内，分布属单位3控制器的Kpd3上，相似的变化结果也会出现。

然而，相比于Kpd2，Kpd3的变化范围更广。

这表明微电网对由更小的单位分布属单位3实时发电比分布属单位2更稳定。

控制参数的最优值是基于特征值（3，4）（5，6）（7，8）而选择的。

图12显示的是在0.0001到0.002范围内，（5，6）（7，8）特征值位点对应的分布属单位2的Kpq2的变化。

它说明，增加超出0.0016的Kpq2将导致特征值（5,6）的离开右手螺旋（RHP）。

相似的在图11中Kpq3的所得结果，没有稳定性损失的情况下（图13）分布属单位3的无功功率控制收益Kpq3将在更宽的范围内（例如达到0.014）变化。

基于特征值（5，6）（7，8）的位点，Kpq2和Kpq3必须有相对较小的值。

七讨论

为了评价在所采取的功率管理战略下微电网的表现，将使用在[8]中的特征值方式扩展版本来开发并分析整个系统的线性模型（包括所选择的功率管理战略）。

特征分析结果将用于在每个功率管理战略下最优化系统表现。

将考虑两种情况：

系统的震荡模式和微电网模式下状态变化的参与。

研究如下。

•在运行条件下实时功率主要由快速响应的分布属单位2和3来提供稳定性高的利润率。

另外分布属单位的无功功率输出应受到限制而不是过度补偿负载。

基于电压衰减特性和电压调节的无功功率管理战略可能引起过分补偿并且需要限制无功功率控制器。

•控制参数（包括实时和无功功率控制器的收益）有效的改变微电网分布属单位网络震荡模式的减弱速率。

对于根据特征值结果正确选择的控制参数可以确保所需的系统表现并且能够为微电网保留足够的稳定利润。

•分布属单位的相对位置和电器近似性是功率管理和微电网发电规划的重要标准。

这些将会影响分布属单位的交互模式。

分布属单位是位于靠近电气相互接近，独立无功功率管理战略，即电压调节和无功补偿，这样的单位是受推荐的。

八结论

本文介绍了自主微电网系统下的三种功率管理战略。

目的是为了调查在建议的功率管理战略下微电网的动态行为，开发了为多重分布属单位电网系统的小型信号动态模式。

这种模式代表了传统的和电子接口的分布属单位与网络之间的动态行为，并解释了在微电网自主运行期间的频率偏差。

采取这种模式来检查一个三重分布属单位的微电网的特征结构，并系统的1）评价了微电网的稳定性2）设计并优化了控制参数3）调查了功率管理战略在微电网动态行为方面的影响，尤其是在孤岛时间之后4）估计了分布属单位和网络之间的相互作用。

该项研究显示，当从电网中孤立和作为自主孤岛运行时，电子接口的分布属单位的控制和所采取的功率管理战略在微电网动态行为上有重要作用。

附录A实时/无功功率控制器的线性模式

电子接口的分布属单位的实时功率控制器的线性模式是由

（2）（4）得到的，其基于频率衰减特性和频率恢复算法如图2中，ODEs代表d-轴参考控制

而

是d-轴参考控制的状态变量，Kpd和Kid分别是控制器的成比例和整数型收益。

（9）中的

在d-q表格中由即时实时功率的线性方程表示

和

代表在d-q表格中电子接口分布属单位的输出电流和电压，上脚标“o”代表稳定状态运转值。

这个实时管理块由下等式表示：

而

是第N个分布属单位的dq参照系角频率，它是由常规的PLL块[8]决定的。

（13）表示了PLL的线性模式，而

是对应于输入信号到主要PLL块的放大值的放大收益，例如主线电压

，

和

是环过滤的成比例的和整体的收益。

和

是两个常数，将主线电压的d-和q-部分与角度估计块[8]联系起来。

无功功率控制器线性模型是从图5中代表每个无功功率管理战略的ODE中得到的。

这样就解释了图5（a）中的基于电压衰减特性的无功功率管理战略的模式化方法。

[14]中给出了其他两个无功功率管理战略的细节模式。

基于电压衰减的无功功率控制器包括1）一个V-Q特性，其决定了对应于在主线电压变化的第N个分布属单位的无功功率的参考值2）一个q-轴的参考控制器[见图5（a）]。

参考控制器的小型动态模式是

是图5（a）中无功功率控制环的PI控制器的状态变量。

因此在（14）中替代（16）（17）中的

和

来构成无功功率控制器的状态方程

附录B一个电子接口的分布属单位的小型动态模式

一个电子接口的分布属单位包括三个主要块：

1）功率管理块2）转换控制器3）转换功率循环

A.功率管理块

图7中显示的是一个电子接口的分布属单位的功率管理块的线性动态模式，

。

在附录A中解释了一个系统方法来构建功率管理块的状态方程。

综合（11）—（13）和（18），功率管理块