基于电压稳定和多堆性能一致性的协调优化控制方法

本发明属于燃料电池，特别是涉及一种基于电压稳定和多堆性能一致性的协调优化控制方法。

背景技术：

1、为减轻传统化石燃料燃烧带来的环境污染，积极推进节能减排行动，加速推动能源清洁化转型至关重要。氢燃料电池作为一种能将氢能转化为电能的装置，具有清洁、无污染、高效等优点，已被广泛用于航空、船舶、微电网、轨道交通车辆等领域。此外，随着燃料电池技术的进步和市场需求的增长，多堆燃料电池系统应运而生，其由多个单套燃料电池并联构成，具有更高效、更灵活、更可靠等特点。

2、然而，多个燃料电池的引入在控制和管理上带来了新的难题，在复杂环境中运行时，各个燃料电池电堆运行条件不一将导致其性能产生差异。同时，多堆燃料电池系统的寿命由服役性能较差的燃料电池决定，因此各燃料电池运行条件不一会导致多堆燃料电池系统整体稳定性下降，使得系统整体寿命降低。

3、目前，关于多燃料电池协调优化控制的研究大多仅以提升燃料电池系统效率或减小氢耗为主，将各电堆参数视为一致，未反映控制策略对燃料电池性能衰退时的优化能力，不利于系统整体长时间运行。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于电压稳定和多堆性能一致性的协调优化控制方法，解决多堆燃料电池各电堆性能不一致问题，尽可能减小各电堆差异性，在保证系统母线电压稳定的同时，实现多堆燃料电池各电堆同时达到服役寿命终点，以延长系统整体服役时间。

2、为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于电压稳定和多堆性能一致性的协调优化控制方法，包括步骤：

3、步骤1：根据不同场景牵引工况对燃料电池电压衰退的影响，采用量化加权估计法建立燃料电池电压衰退函数，以各电堆电压实际衰退率与电压最大允许衰退率间接表征各燃料电池寿命衰退率dfc,i；

4、步骤2：根据各燃料电池衰退率dfc,i，利用衰减补偿分配策略分配各燃料电池变换器参考波动功率δpdc,i，进而得出各燃料电池变换器输出实际功率pdc,i；

5、步骤3：基于动态阻抗模拟技术，将多堆燃料电池各变换器输出功率与母线电压耦合，并通过分析各电堆下垂系数rdroopi与系统稳定的关系实现系统自主平衡；

6、步骤4：基于动态误差校正原理，采用多维度控制调节器控制系统电压偏差，确保系统母线电压稳定。

7、进一步的是，步骤1所述的燃料电池电压衰退函数为：

8、

9、其中，ud,i为第i个燃料电池运行过程中性能衰减率；γ1,i为第i个燃料电池运行在高功率区间的时长，γ2,i为第i个燃料电池运行在低功率区间的时长，γ3,i为第i个燃料电池变载时长，γ4,i为第i个燃料电池启停次数；d1,i为第i个燃料电池在高功率区间运行时的电堆老化速率，d2,i为第i个燃料电池在低功率区间运行时的电堆老化速率，d3,i为第i个燃料电池在变载条件下运行时的电堆老化速率，d4,i分别为第i个燃料电池在启停机操作运行时的电堆老化速率。

10、进一步的是，设燃料电池高低功率限额值和实时输出功率量与燃料电池老化损耗呈线性关系，同时只考虑一次启停即d4,i＝1，则所述d1,i、d2,i、d3,i表示为：

11、

12、其中，dhigh表示高功率下的单位千瓦下的电堆老化衰减率，dlow表示低功率的单位千瓦下的电堆老化衰减率，dload表示正常功率下的单位千瓦下的电堆老化衰减率，pfci_high代表第i个燃料电池高功率的临界值，pfci_low代表第i个燃料电池低功率的临界值，pfci_max代表第i个燃料电池最大输出功率，与pfci_min分别代表第i个燃料电池最小输出功率，pfci(t+1)代表第i个燃料电池在t+1时刻的瞬时输出功率，与pfci(t)分别代表第i个燃料电池在t时刻的瞬时输出功率，t为燃料电池工作时间。

13、进一步的是，根据电压衰退函数获得燃料电池寿命衰退率：

14、dfc,i＝1-δud,iδud,i_max；

15、其中，δud,i_max为燃料电池最大允许电压退化率，其值为燃料电池额定电压的10％，dfc,i取值范围为0到1，且dfc,i越小说明燃料电池的性能越差，越接近1说明性能越佳。

16、进一步的是，根据各燃料电池衰退率dfc,i，利用衰减补偿分配策略分配各燃料电池变换器参考波动功率δpdc,i：

17、分配表达式为：

18、

19、其中，kij表示第i个变换器与第j个变换器的功率波动比，dfc,i与dfc,j分别表示第i个燃料电池与第j个燃料电池的电压衰退程度，δpdc,i与δpdc,j分别表示第i个变换器与第j个变换器的输出功率波动量，δpload表示负载功率变化量，pdc,i(t)、pdc,i(t-1)分别表示第i个变换器在t时刻与t-1时刻的瞬时功率，pdc,j(t)、pdc,j(t-1)分别表示第j个变换器在t时刻与t-1时刻的瞬时功率，pload(t)、pload(t-1)分别表示t时刻与t-1时刻的负载瞬时功率。

20、进一步的是，所述各燃料电池变换器输出实际功率pdc,i表达式为：

21、

22、其中，pdc,i(t)表示第i条支路变换器在t时刻的输出功率，δpdc,i(t)表示第i条支路变换器在t时刻的输出功率波动量。

23、进一步的是，在步骤3中，动态阻抗模拟技术通过增加虚拟电阻实现各燃料电池功率的自适应分配功率，加入虚拟电阻后，利用各燃料电池下垂曲线各燃料电池变换器输出实际功率求出各燃料电池虚拟电阻。

24、进一步的是，所述下垂曲线表达式为：

25、

26、其中，vdc,1与vdc,n为第1个与第n个燃料电池变换器输出电压，idc,1与idc,n为第1个与第n个燃料电池变换器输出电流，rl,1与rl,n为第1个与第n个燃料电池线路阻抗，rdroop1与rdroopn为第1个与第n个燃料电池线路虚拟阻抗，vbus为母线电压。

27、进一步的是，虚拟阻抗大小利用下垂曲线与各燃料电池变换器输出实际功率求得：

28、

29、其中，

30、

31、其中，vbus(t)为t时刻的母线电压，vdc,1(t)与vdc,n(t)为第1个与第n个燃料电池变换器在t时刻的输出电压，ψ1(t)、ψn(t)、ψi(t)分别为第1个、第n个、与第i个燃料电池变换器回路在t时刻的混合代数变量，rm(t)为t时刻的阻抗代数变量，rl,i(t)与rl,j(t)分别表示第i个与第j个燃料电池变换器回路在t时刻的线路阻抗，rdroopi(t)与rdroopi(t)分别表示第i个与第j个燃料电池变换器回路在t时刻的虚拟阻抗，rx1(t)、rxn(t)、rxi(t)分别表示第1个、第n个、与第i个燃料电池变换器回路在t时刻的线路总阻抗，rload为负载阻抗。

32、进一步的是，在步骤4中，多维度控制调节器控制参考电压与实际电压间的偏差δvref,i，以保证系统母线电压稳定；此外，所述多维度控制调节器根据动态误差校正原理，在三个维度上控制δvref,i：

33、

34、其中，k1、k2和k3分别表示比例、积分和微分增益，e(t)为t时刻的误差，vdc,i*为第i个燃料电池变换器参考电压；δvref,i为第i个燃料电池参考电压与实际电压间的偏差，其波动范围为应小于母线电压的5％；vbus为母线电压。

35、采用本技术方案的有益效果：

36、本发明公开一种基于电压稳定和多堆性能一致性的协调优化控制方法；首先，根据不同场景牵引工况对燃料电池电压衰退的影响，建立燃料电池电压衰退函数，以此间接表征各燃料电池衰退率，并根据各燃料电池衰退率实时分配各燃料电池变换器参考波动功率，进而得出各燃料电池变换器输出实际功率，保证了燃料电池性能一致；其次，利用虚拟电阻下垂技术，将多堆燃料电池各变换器输出功率与母线电压耦合，并通过分析下垂系数与系统稳定的关系实现系统自主平衡；然后，通过比例积分微分控制器控制参考电压与实际电压间的偏差，保证系统母线电压稳定，实现系统安全稳定运行；最后，在该方法作用下，多堆燃料电池各电堆性能保持一致，满足复杂工况下多堆燃料电池系统稳定、长寿命运行需求，增强了系统鲁棒性，延长了系统整体服役时间。

37、本发明根据不同场景牵引工况对燃料电池的影响建立燃料电池电压衰退函数，以衡量燃料电池寿命衰退率，具有可靠性高、可行性好等优点。

38、本发明采用虚拟下垂技术控制实现了各燃料电池功率自适应控制，且各燃料电池之间无需相互通信，实现了独立控制。

39、本发明采用比例积分微分控制器实时控制燃料电池母线电压，确保了系统母线电压稳定，保证了系统安全稳定运行。