一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法

1.本发明属于燃料电池混合动力系统技术领域，特别是涉及一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法。


背景技术：

2.随着技术的发展，燃料电池已经被应用于很多领域，例如：汽车、轨道列车、船舶、飞机、微电网等。燃料电池具有清洁排放、高效率和低噪音等优点，被认为是一种减少化石燃料消耗和污染排放的有效手段。燃料电池的推广和应用仍然受到短寿命和高成本等因素的制约。燃料电池的寿命通常受到四个关键因素的影响，分别是启停、功率变化、高功率运行和低功率运行的退化。除去不必要的启停，功率变化是燃料电池正常运行时的主要退化影响因素。因此，减少高速功率波动成为改善燃料电池运行性能和延长其运行寿命的有效方法。
3.由于燃料电池是一种具有缓慢动态特性的装置，因此输出功率的剧烈波动会影响其运行性能。因此，有学者提出将储能装置和燃料电池组合成混合动力系统，储能装置(超级电容或电池等)可以回收再生能量并产生瞬时功率以弥补燃料电池缓慢动态特性的不足。一些研究表明，输出功率的波动越小，燃料电池的运行性能保持得越好，性能退化得越慢。反之，功率波动越大，燃料电池的性能退化就越快。因此，抑制输出功率的高速波动成为一种改善燃料电池运行性能和延长其运行寿命的有效方法。
4.目前，抑制燃料电池输出功率的波动大多是通过基于优化理论的能量管理策略实现。燃料电池的退化程度被视为优化目标函数的一部分，通过优化理论或算法求解燃料电池输出功率的参考值，以实现抑制燃料电池功率波动和降低其运行压力的目的。然而，基于优化理论的能量管理策略作为系统的上层控制通常导致了非常大的计算量，从而导致控制步长增加，不能实时迅速地控制燃料电池的输出功率。


技术实现要素：

5.为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，有效平滑了燃料电池输出功率的高速波动，改善了燃料电池输出特性及运行性能，并能够自适应地分配系统动态功率。
6.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，包括步骤：
7.步骤1：燃料电池混合动力系统由燃料电池单元、储能装置单元和牵引负载构成，获得整个系统中燃料电池输出功率p
fc
、储能装置输出功率p
es
、牵引负载功率p
load
三者的平衡关系：p
fc
+p
es
＝p
load
；
8.步骤2：基于由于储能装置具有的惯性支撑能力，在牵引负载有暂态功率波动δp
load
时，获取储能装置的虚拟惯性功率δp
vir
，建立平衡关系：
9.p
fc
+p
es
+δp
vir
＝p
load
+δp
load
；
10.步骤3：对燃料电池单元提出动态功率虚拟惯性控制，实现在暂态时储能装置被动地为系统提供虚拟惯性功率δp
vir
；所述动态功率虚拟惯性控制：燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
减去燃料电池输出功率p
fc
的偏差量经过一阶惯性控制环节得到暂态的功率δp，则动态功率虚拟惯性控制的数学表达式为：
[0011][0012]
其中，j为虚拟惯性系数，dv为阻尼因子；
[0013]
步骤4：通过直接控制燃料电池输出电流从而间接地控制燃料电池输出功率p
fc
，定义燃料电池输出电流参考i
fc_ref
等于暂态的功率δp除以燃料电池输出电压v
fc
，燃料电池输出电流参考i
fc_ref
的数学表达式为
[0014][0015]
进一步的是，在所述步骤3中对虚拟惯性系数j进行自适应调节，虚拟惯性系数j等于初始虚拟惯性系数j0加上调整系数β乘以负载动态功率变化率的绝对值，则虚拟惯性系数j的数学表达式为：
[0016][0017]
其中，p
load
(k)为k时刻负载功率采样值，p
load
(k-1)为k-1时刻负载功率采样值，t
sample
为采样时间。
[0018]
进一步的是，在所述步骤3中对阻尼因子dv进行自适应调节，阻尼因子dv的取值与储能装置的荷电状态soc有关，阻尼因子dv的取值方法为：
[0019]
当soc
min
≤soc≤soc1时，dv＝0；
[0020]
当soc1＜soc≤soc
max
时，
[0021]
其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc1为阻尼因子dv为0时soc的上限临界值，系数ε根据实际情况定义大小。
[0022]
进一步的是，步骤3中的燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
的取值与负载功率p
load
有关，且为了保护燃料电池，设定其运行功率范围：最大运行功率为p
fc_max
、最小运行功率为p
fc_min
；从而获得燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
为：
[0023][0024]
其中，系数α(α≥1)被定义为充电因子，以使得燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
可以大于等于负载功率p
load
，达到实现燃料电池对储能装置充电的目的。
[0025]
进一步的是，所述充电因子α的取值与储能装置的soc有关，充电因子α的取值方法为：
[0026]
当soc
min
≤soc≤soc2时，
[0027]
当soc2＜soc≤soc
max
时，α＝1；
[0028]
其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc2为充电因子α为1时soc的下限临界值，系数δ根据实际情况定义大小。
[0029]
采用本技术方案的有益效果：
[0030]
本发明公开一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，首先，针对混合动力系统中燃料电池的输出特性提出一种动态功率虚拟惯性控制方法，使得燃料电池自主地承担低频功率，而储能装置被动地提供高频功率；其次，引入负载动态功率变化率自适应地调整虚拟惯性系数，以达到根据负载功率变化率自适应平滑燃料电池输出功率的目的；然后，在动态功率自适应虚拟惯性控制的基础上提出一种动态功率自适应分配方法，该方法通过自适应调节充电因子和阻尼因子实现系统动态功率分配。本发明有效平滑了燃料电池输出功率的高速波动，改善了燃料电池输出特性及运行性能，并能够自适应地分配系统动态功率。
[0031]
本发明从底层控制角度实现对燃料电池混合动力系统中的燃料电池输出功率高速波动的实时抑制，控制步长短，控制迅速。
[0032]
本发明通过动态功率虚拟惯性控制使得燃料电池混合动力系统中的燃料电池单元自主地承担低频功率，而储能装置被动地提供高频功率。
[0033]
本发明通过引入负载动态功率变化率自适应地调整虚拟惯性系数j，以达到根据负载功率变化率自适应地平滑燃料电池输出功率高速波动的目的，改善了燃料电池输出特性及运行性能。
[0034]
本发明在底层动态功率自适应虚拟惯性控制的基础上通过soc的变化实时地自适应调节充电因子α和阻尼因子dv实现了燃料电池混合动力系统动态功率自适应分配的目的。
附图说明
[0035]
图1为本发明的一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法流程示意图；
[0036]
图2为本发明中燃料电池混合动力系统的虚拟惯性示意图；
[0037]
图3为本发明中动态功率自适应虚拟惯性控制框图；
[0038]
图4为本发明实施例中燃料电池混合动力系统的拓扑结构；
[0039]
图5为本发明实施例中燃料电池单元电路拓扑及控制环路框图；
[0040]
图6为本发明实施例中储能单元电路拓扑及控制环路框图；
[0041]
图7为本发明实施例中在虚拟惯性系数自适应调整下系统的动态响应；
[0042]
图8为本发明实施例中在实际再生负荷下系统的动态响应。
具体实施方式
[0043]
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。
[0044]
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，包括步骤：
[0045]
步骤1：燃料电池混合动力系统由燃料电池单元、储能单元和牵引负载构成；得到整个系统中燃料电池输出功率p
fc
、储能装置输出功率p
es
、牵引负载功率p
load
三者的平衡关系：
[0046]
p
fc
+p
es
＝p
load
；
[0047]
步骤2：由于储能装置具有一定的惯性支撑能力，如图2所示，在牵引负载有暂态功率波动δp
load
时，储能装置可提供虚拟惯性功率δp
vir
，则得到如下平衡关系：
[0048]
p
fc
+p
es
+δp
vir
＝p
load
+δp
load
；
[0049]
步骤3：为了实现在暂态时储能装置能够被动地为系统提供虚拟惯性功率δp
vir
，针对燃料电池单元提出动态功率虚拟惯性控制：燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
减去燃料电池输出功率p
fc
的偏差量经过一阶惯性控制环节得到暂态的功率δp，则动态功率虚拟惯性控制的数学表达式为：
[0050][0051]
其中，j为虚拟惯性系数，dv为阻尼因子；
[0052]
步骤4：通过直接控制燃料电池输出电流从而间接地控制燃料电池输出功率p
fc
，定义燃料电池输出电流参考i
fc_ref
等于暂态的功率δp除以燃料电池输出电压v
fc
，燃料电池输出电流参考i
fc_ref
的数学表达式为
[0053][0054]
作为上述实施例的优化方案1，步骤3中的虚拟惯性系数j可自适应调节，虚拟惯性系数j等于初始虚拟惯性系数j0加上调整系数β乘以负载动态功率变化率的绝对值，则虚拟惯性系数j的数学表达式为
[0055][0056]
其中，p
load
(k)为k时刻负载功率采样值，p
load
(k-1)为k-1时刻负载功率采样值，t
sample
为采样时间。
[0057]
作为上述实施例的优化方案2，步骤3中的阻尼因子dv(dv≥0)可自适应调节，阻尼因子dv的取值与储能装置的荷电状态(stateofcharge,soc)有关，阻尼因子dv的取值方法为：
[0058]
当soc
min
≤soc≤soc1时，dv＝0。
[0059]
当soc1＜soc≤soc
max
时，
[0060]
其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc1为阻尼因子dv为0时soc的上限临界值，系数ε可根据实际情况定义大小。本实施例中，soc
min
＝20％、soc
max
＝80％、soc1＝60％、ε＝2。
[0061]
作为上述实施例的优化方案3，步骤3中的燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
的取值与负载功率p
load
有关，且为了保护燃料电池，设定其运行功率范围：最大运行功率为p
fc_max
、最小运行功率为p
fc_min
。燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
的具体数学表达式为：
[0062][0063]
其中，系数α(α≥1)被定义为充电因子，以使得燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
可以大于等于负载功率p
load
，可达到实现燃料电池对储能装置充电的目的。
[0064]
充电因子α的取值与储能装置的soc有关，充电因子α的取值方法为：
[0065]
当soc
min
≤soc≤soc2时，
[0066]
当soc2＜soc≤soc
max
时，α＝1；
[0067]
其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc2为充电因子α为1时soc的下限临界值，系数δ可根据实际情况定义大小。本实施例中，soc
min
＝20％、soc
max
＝80％、soc2＝40％、δ＝2。
[0068]
因此，在所提出的动态功率自适应虚拟惯性控制的基础上，通过soc的变化实时地自适应调节充电因子α和阻尼因子dv可实现燃料电池混合动力系统的自适应功率分配。本发明所提出的一种燃料电池混合动力系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法的控制框图可如图3所示。
[0069]
如图4所示，本实施例中燃料电池混合动力系统由燃料电池单元、以蓄电池为储能装置的储能单元和牵引负载组成。燃料电池通过一个单向dc/dc变换器与直流母线连接，牵引负载由一个双向的dc/ac变流器和一个牵引电机组成，储能装置通过一个双向dc/dc变换器与直流母线连接，储能单元可以回收牵引负载的制动再生能量并可协助燃料电池满足瞬时负载功率需求。
[0070]
本发明所提出的一种燃料电池混合动力系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法具有通用性。
[0071]
因此为了便于验证所提控制方法的可行性和有效性，选取boost变换器作为燃料电池和直流母线间的接口变换器。如图5所示，为本实施例中燃料电池单元电路拓扑及控制环路框图，控制环路由电流内环控制和动态功率自适应虚拟惯性控制组成。
[0072]
同理，选取buck/boost变换器作为蓄电池和直流母线间的接口变换器。如图6所示，为本实施例中储能单元电路拓扑及控制环路框图，储能单元运用传统电压电流双闭环控制实现维持直流母线电压稳定的目的。
[0073]
如图7所示，为本实施例中在虚拟惯性系数自适应调整下系统的动态响应。由图7可知，虚拟惯性系数j随负载功率的波动而自适应调整，当负载功率波动越剧烈时惯性系数越大。
[0074]
如图8所示，为本实施例中在实际再生负荷下系统的动态响应，其中图8(a)为无所提控制的系统动态响应，图8(b)、8(c)和8(d)分别是初始soc约为50％、30％、70％时在所提控制下系统动态响应。从图8(a)和图8(b)可以看出，基于所提控制的燃料电池输出功率波动更加平滑。相反，在所提控制下，蓄电池的瞬时功率波动更加剧烈。此外，如图8(b)、图8(c)和图8(d)所示，可以实现燃料电池混合动力系统的功率自适应分配。当初始soc为50％时，负载功率需求基本上由燃料电池满足，蓄电池提供高速的不平衡功率；当初始soc为
30％时，负载功率需求由燃料电池提供，且燃料电池的剩余功率给蓄电池充电；当初始soc为70％时，燃料电池与蓄电池共同承担负载功率需求。结果表明，所提方法是有效的，有助于改善燃料电池的运行性能。
[0075]
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。

技术特征：
1.一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于，包括步骤：步骤1：燃料电池混合动力系统由燃料电池单元、储能装置单元和牵引负载构成，获得整个系统中燃料电池输出功率p
fc
、储能装置输出功率p
es
、牵引负载功率p
load
三者的平衡关系：p
fc
+p
es
＝p
load
；步骤2：基于由于储能装置具有的惯性支撑能力，在牵引负载有暂态功率波动δp
load
时，获取储能装置的虚拟惯性功率δp
vir
，建立平衡关系：p
fc
+p
es
+δp
vir
＝p
load
+δp
load
；步骤3：对燃料电池单元提出动态功率虚拟惯性控制，实现在暂态时储能装置被动地为系统提供虚拟惯性功率δp
vir
；所述动态功率虚拟惯性控制：燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
减去燃料电池输出功率p
fc
的偏差量经过一阶惯性控制环节得到暂态的功率δp，则动态功率虚拟惯性控制的数学表达式为：其中，j为虚拟惯性系数，d
v
为阻尼因子；步骤4：通过直接控制燃料电池输出电流从而间接地控制燃料电池输出功率p
fc
，定义燃料电池输出电流参考i
fc_ref
等于暂态的功率δp除以燃料电池输出电压v
fc
，燃料电池输出电流参考i
fc_ref
的数学表达式为2.根据权利要求1所述的一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于，在所述步骤3中对虚拟惯性系数j进行自适应调节，虚拟惯性系数j等于初始虚拟惯性系数j0加上调整系数β乘以负载动态功率变化率的绝对值，则虚拟惯性系数j的数学表达式为：其中，p
load
(k)为k时刻负载功率采样值，p
load
(k-1)为k-1时刻负载功率采样值，t
sample
为采样时间。3.根据权利要求1所述的一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于，在所述步骤3中对阻尼因子d
v
进行自适应调节，阻尼因子d
v
的取值与储能装置的荷电状态soc有关，阻尼因子d
v
的取值方法为：当soc
min
≤soc≤soc1时，d
v
＝0；当soc1＜soc≤soc
max
时，其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc1为阻尼因子d
v
为0时soc的上限临界值，系数ε根据实际情况定义大小。4.根据权利要求1所述的一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于，步骤3中的燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
的取值与负载功率p
load
有关，且为了保护燃料电池，设定其运行功率范围：最大运行功率为p
fc_max
、最小运行功率为p
fc_min
；从
而获得燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
为：其中，系数α(α≥1)被定义为充电因子，以使得燃料电池输出功率参考值p
fc_ref
可以大于等于负载功率p
load
，达到实现燃料电池对储能装置充电的目的。5.根据权利要求4所述的一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，其特征在于，所述充电因子α的取值与储能装置的soc有关，充电因子α的取值方法为：当soc
min
≤soc≤soc2时，当soc2＜soc≤soc
max
时，α＝1；其中，soc
min
、soc
max
分别为储能装置正常工作时soc的下限和上限，soc2为充电因子α为1时soc的下限临界值，系数δ根据实际情况定义大小。

技术总结
本发明公开一种燃料电池混动系统动态功率自适应虚拟惯性控制方法，首先，针对混合动力系统中燃料电池的输出特性提出一种动态功率虚拟惯性控制方法，使得燃料电池自主地承担低频功率，而储能装置被动地提供高频功率；其次，引入负载动态功率变化率自适应地调整虚拟惯性系数，以达到根据负载功率变化率自适应平滑燃料电池输出功率的目的；然后，在动态功率自适应虚拟惯性控制的基础上提出一种动态功率自适应分配方法，该方法通过自适应调节充电因子和阻尼因子实现系统动态功率分配。本发明有效平滑了燃料电池输出功率的高速波动，改善了燃料电池输出特性及运行性能，并能够自适应地分配系统动态功率。地分配系统动态功率。地分配系统动态功率。


技术研发人员：李奇 李响 杨明泽 王天宏 陈维荣
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2023.03.22
技术公布日：2023/7/22