一种基于燃料电池健康度校正的多堆分布式控制方法与流程

1.本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及燃料电池集群的功率分配管理和控制方法。


背景技术：

2.随着世界科技的迅速发展，污染严重环境的能源急需新的环保型能源替代，节能减排已经成为各国科研院所不断努力的方向，在众多新能源应用中，氢能作为一种高效、安全、清洁、可持续的新能源，被视为21世纪最具发展潜力的清洁能源和人类战略能源的发展方向，而燃料电池是一种通过电化学反应将氢能转换为电能的装置，具有不受卡诺循环限制，能量转换效率高，工作温度低、启动速度快、运行噪声低等优点。
3.燃料电池虽然具有众多优点，但存在单套发电系统功率等级有限，耐久性不足等缺点，导致燃料电池在大功率能源市场未能大规模投入使用。因此，越来越多研究人员通过协调多个单套燃料电池，构建多堆燃料电池系统以解决上述问题。然而，目前大部分研究中多堆燃料电池系统均由发电参数相同的单堆燃料电池构成，关于多电堆间的协调控制方法还未开展深入研究。另外，现有的大部分控制策略均是基于理想情况，将燃料电池视为静态发电系统，假设电堆的运行性能不发生变化，没有考虑其运行性能变化所产生的影响。而在实际应用中，燃料电池受温度、压力、湿度等环境因素的影响较大，需要实时评估电堆的运行状态，并依据其各自健康度，及时有效地实施合适的控制方法，保证多堆燃料电池系统的正常稳定运行。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提出了一种基于燃料电池健康度校正的多堆分布式控制方法，该方法对于多堆燃料电池依据各个电堆实时运行性能自适应调节电堆输出功率，用以改善系统运行性能。考虑到多堆系统中某个电堆可能由于故障原因而突然退出，同时也为了实现即插即用功能，还采用了基于自整定因子调节的控制方法，依据各个电堆实时运行性能设计了调整因子自适应调节整定系数来实现参考功率的分配。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于燃料电池健康度校正的多堆分布式控制方法，包括步骤：
6.s100，采集燃料电池输出端的电压和电流信号，采集单向dc/dc变换器输出端的电压和电流信号，采集需求侧的电压和电流信号；
7.s200，通过获取的燃料电池输出端电压、电流和功率评估燃料电池实时运行性能，并量化出各燃料电池的健康度；
8.s300，根据对燃料电池的健康度计算结果，结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子；
9.s400，最后在实时自整定因子变化下通过电压外环和电流内环的快速校正完成对燃料电池输出功率的自适应调节，实现多堆燃料电池间的分布式控制。
10.进一步的是，所述多堆燃料电池系统包括多个燃料电池采用全并联方式向母线供电，所有燃料电池通过各自的单向dc/dc变换器连接至直流母线，保证输出功率波动负载侧电压的稳定性提高供电质量。
11.进一步的是，所述步骤s200中所述燃料电池实时运行性能的健康度的计算时，根据燃料电池实时输出电流计算其对应的电堆性能最佳时的额定电压，并根据额定电流时允许的最大电压降计算健康度。
12.进一步的是，所述步骤s200中所述燃料电池实时运行性能的健康度的计算公式为：
13.计及燃料电池性能优劣的健康度为h
fc
，且有下式：
[0014][0015]
式中，δv
rated
表示当前性能下电堆输出额定电流时电堆电压降，进一步表示为电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
与当前性能状态额定电压v
rated,degraded
之差；δv
rated,max
表示额定电流时允许的最大电压降，取值为额定电压的10％。
[0016]
进一步的是，所述燃料电池实时输出电流下对应的电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
的获取过程包括步骤：
[0017]
对性能完好的燃料电池进行测试实验，获得其不同功率等级下运行的电流和电压的实验数据；
[0018]
通过对电压和电流的实验数据分析，逆推燃料电池理想输出电压和运行电流的关系式；
[0019]
采用基于复非线性最小二乘算法辨识燃料电池理想输出电压和运行电流的系数a0、a1、
…
、a
n
，n是通过实验测定的阶数，获得燃料电池实时输出电流下对应的电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
。
[0020]
进一步的是，采用基于复非线性最小二乘算法辨识燃料电池理想输出电压和运行电流的系数，具体为：
[0021]
对于燃料电池系统：y＝f(x,θ)；
[0022]
其中，y为燃料电池理想电压值；x为燃料电池工作时的测量电流；θ为待辨识参数向量：
[0023][0024]
且有：
[0025][0026]
式中，n为频率采样的点数，wk为残差权重，s为测量值和拟合值的残差加权平方和，δ
l
为误差精度，当θ(k 1)与θ(k)无限接近时，δ
l
将非常小，辨识结果将趋向稳定。
[0027]
进一步的是，所述步骤s300中，根据对燃料电池的健康度计算结果，计算出各燃料电池输出功率，根据燃料电池输出功率并结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子。
[0028]
进一步的是，根据对燃料电池的健康度计算结果，计算出各燃料电池输出功率，包括步骤：
[0029]
根据测量的电压变化实时估计各燃料电池运行中的健康度比值；
[0030]
根据健康度比值计算多堆燃料电池系统中各燃料电池输出功率。
[0031]
进一步的是，根据燃料电池输出功率并结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子，包括步骤：
[0032]
计及每个燃料电池所配置的单向dc/dc变换器输出端的自整定因子为k
droop
，针对并联结构的直流供电系统，根据基尔霍夫电压和电流定律可构建出方程组；
[0033]
根据所构建的方程组结合直流供电网络的电路和载流特性可计算出每个燃料电池输出功率下所对应的自整定因子的实时取值。
[0034]
进一步的是，在所述步骤s400中，每个燃料电池所配置的单向dc/dc变换器输出端功率添加相应自整定因子，通过改变自整定因子的大小即可控制单向dc/dc变换器输出相对应的功率，通过电压外环和电流内环的快速校正完成对燃料电池输出功率的自适应调节，实现多堆燃料电池间的分布式控制。
[0035]
采用本技术方案的有益效果：
[0036]
本发明首先依靠高精度的传感器分别实时采集燃料电池输入端和单向dc/dc变换器输出端的电压和电流信号以及负载需求侧的电压和电流并存入控制器中，然后根据所测电压、电流和功率评估燃料电池实时运行性能情况，并首次实现了对各燃料电池健康度的量化，最后结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前健康度相关的实时自整定因子并通过电压外环和电流内环完成对各燃料电池输出功率的自适应调节，从而实现多堆燃料电池之间的分布式控制。本发明专利有利于任意电堆接入系统或故障电堆退出系统，降低了通信故障、增强了系统稳定性，从而有利于系统扩容。
[0037]
本发明专利采用各个电堆实时运行性能自适应调节电堆输出功率，改善了系统运行性能。同时还采用了基于健康度整定的下垂控制方法，依据各个电堆实时运行性能设计了调整因子自适应调节下垂系数来实现参考功率的分配，减少了系统故障发生的可能性，提升了系统容错能力和供电可靠性，实现了即插即用功能。多堆燃料电池系统采用分布式控制保证了各电堆均可根据自身性能优劣依据其健康度关系自适应的调节各自的输出功率大小，不仅改善了系统的一致性而且提升了系统供电的可靠性和对故障的容错性。
[0038]
本发明提出了实时运行性能评估的计算公式，量化出了燃料电池运行老化程度给多堆燃料电池系统的功率分配提供了控制依据。
[0039]
本发明采用了复非线性最小二乘算法实时拟合燃料电池理想电压和输出电流的关系，确定了燃料电池的耦合系数a0、a1、
…
、a
n
，采用复非线性最小二乘算法迭代求解相比其他方法，不仅利用的测量数据量较少，还可以减小拟合误差，工程实用性较强。
[0040]
本发明采用了通过对并联直流供电系统的基础电路的分析化简出了燃料电池输出功率和所加自整定因子的定量联系，将燃料电池自身性能直接与控制变量相耦合，减少了电堆间的通信联系，增强了系统稳定性，提升了系统扩容的延展性。
附图说明
[0041]
图1为本发明的一种基于燃料电池健康度校正的多堆分布式控制方法流程示意图；
[0042]
图2为本发明实施例中含整定因子的多堆燃料电池系统结构示意图；
[0043]
图3为本发明实施例中多堆燃料电池系统中单向dc/dc变换器输出的等效简化电路示意图。
具体实施方式
[0044]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
[0045]
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种基于燃料电池健康度校正的多堆分布式控制方法，包括步骤：
[0046]
s100，采集燃料电池输出端的电压和电流信号，采集单向dc/dc变换器输出端的电压和电流信号，采集需求侧的电压和电流信号；
[0047]
s200，通过获取的燃料电池输出端电压、电流和功率评估燃料电池实时运行性能，并量化出各燃料电池的健康度；
[0048]
s300，根据对燃料电池的健康度计算结果，结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子；
[0049]
s400，最后在实时自整定因子变化下通过电压外环和电流内环的快速校正完成对燃料电池输出功率的自适应调节，实现多堆燃料电池间的分布式控制。
[0050]
其中，所述多堆燃料电池系统包括多个燃料电池采用全并联方式向母线供电，所有燃料电池通过各自的单向dc/dc变换器连接至直流母线，保证输出功率波动负载侧电压的稳定性提高供电质量。
[0051]
作为上述实施例的优化方案，所述步骤s200中所述燃料电池实时运行性能的健康度的计算时，根据燃料电池实时输出电流计算其对应的电堆性能最佳时的额定电压，并根据额定电流时允许的最大电压降计算健康度。
[0052]
述燃料电池实时运行性能的健康度的计算公式为：
[0053]
计及燃料电池性能优劣的健康度为h
fc
，且有下式：
[0054][0055]
式中，δv
rated
表示当前性能下电堆输出额定电流时电堆电压降，进一步表示为电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
与当前性能状态额定电压v
rated,degraded
之差；δv
rated,max
表示额定电流时允许的最大电压降，取值为额定电压的10％。
[0056]
进一步的是，所述燃料电池实时输出电流下对应的电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
的获取过程包括步骤：
[0057]
对性能完好的燃料电池进行测试实验，获得其不同功率等级下运行的电流和电压的实验数据；
[0058]
通过对电压和电流的实验数据分析，逆推燃料电池理想输出电压和运行电流的关系式；
[0059]
采用基于复非线性最小二乘算法辨识燃料电池理想输出电压和运行电流的系数a0、a1、
…
、a
n
，n是通过实验测定的阶数，获得燃料电池实时输出电流下对应的电堆性能最佳时的额定电压v
rated,init
。
[0060]
其中，采用基于复非线性最小二乘算法辨识燃料电池理想输出电压和运行电流的系数，具体为：
[0061]
对于燃料电池系统：y＝f(x,θ)；
[0062]
其中，y为燃料电池理想电压值；x为燃料电池工作时的测量电流；θ为待辨识参数向量：
[0063][0064]
且有：
[0065][0066]
式中，n为频率采样的点数，wk为残差权重，s为测量值和拟合值的残差加权平方和，δ
l
为误差精度，当θ(k 1)与θ(k)无限接近时，δ
l
将非常小，辨识结果将趋向稳定。
[0067]
作为上述实施例的优化方案，所述步骤s300中，根据对燃料电池的健康度计算结果，计算出各燃料电池输出功率，根据燃料电池输出功率并结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子。
[0068]
其中，根据对燃料电池的健康度计算结果，计算出各燃料电池输出功率，包括步骤：
[0069]
根据测量的电压变化实时估计各燃料电池运行中的健康度比值：
[0070][0071]
式中，l
ij
表示第i条支路变换器输出功率波动量与第j条支路变换器输出功率波动量之比；
[0072]
根据健康度比值计算多堆燃料电池系统中各燃料电池输出功率：
[0073][0074][0075]
式中，δp
dci
表示第i条支路变换器输出功率波动量，p
dci
(0)表示第i条支路变换器初始输出功率。
[0076]
其中，如图2和图3所示，根据燃料电池输出功率并结合直流供电网络的电路和载流特性计算出与各燃料电池当前性能状态相关的实时自整定因子，包括步骤：
[0077]
计及每个燃料电池所配置的单向dc/dc变换器输出端的自整定因子为k
droop
，针对
并联结构的直流供电系统，根据基尔霍夫电压和电流定律可构建出方程组：
[0078][0079]
式中，i
dci
、v
dci
以及r
li
分别表示系统第i条支路变换器输出电流、电压以及线路阻抗，其中线路阻抗r
li
一般极小必要时可忽略，r
load
表示负载电阻，k
droopi
表示第i条支路添加的自整定因子，v
bus
为直流母线电压；
[0080]
根据所构建的方程组结合直流供电网络的电路和载流特性可计算出每个燃料电池输出功率下所对应的自整定因子的实时取值：
[0081][0082]
其中，
[0083][0084]
作为上述实施例的优化方案，在所述步骤s400中，每个燃料电池所配置的单向dc/dc变换器输出端功率添加相应自整定因子，通过改变自整定因子的大小即可控制单向dc/dc变换器输出相对应的功率，通过电压外环和电流内环的快速校正完成对燃料电池输出功率的自适应调节，实现多堆燃料电池间的分布式控制。
[0085]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。