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

本发明属于燃料电池混合动力系统，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：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、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pfc、储能装置输出功率pes、牵引负载功率pload三者的平衡关系：pfc+pes＝pload；

4、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δpload时，获取储能装置的虚拟惯性功率δpvir，建立平衡关系：

5、pfc+pes+δpvir＝pload+δpload；

6、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δpvir；所述动态功率虚拟惯性控制：燃料电池输出功率参考值pfc_ref减去燃料电池输出功率pfc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：

7、

8、其中，j为虚拟惯性系数，dv为阻尼因子；

9、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pfc，定义燃料电池输出电流参考ifc_ref等于暂态的功率δp除以燃料电池输出电压vfc，燃料电池输出电流参考ifc_ref的数学表达式为

10、

11、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：

12、

13、其中，pload(k)为k时刻负载功率采样值，pload(k-1)为k-1时刻负载功率采样值，tsample为采样时间。

14、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：

15、当socmin≤soc≤soc1时，dv＝0；

16、当soc1＜soc≤socmax时，

17、其中，socmin、socmax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。

18、进一步的是，步骤3中的燃料电池输出功率参考值pfc_ref的取值与负载功率pload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pfc_max、最小运行功率为pfc_min；从而获得燃料电池输出功率参考值pfc_ref为：

19、

20、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pfc_ref可以大于等于负载功率pload，达到实现燃料电池对储能装置充电的目的。

21、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：

22、当socmin≤soc≤soc2时，

23、当soc2＜soc≤socmax时，α＝1；

24、其中，socmin、socmax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。

25、采用本技术方案的有益效果：

26、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。

27、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。

28、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。

29、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。

30、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。

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：

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：

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：

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pfc_ref的取值与负载功率pload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pfc_max、最小运行功率为pfc_min；从而获得燃料电池输出功率参考值pfc_ref为：

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：

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。

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：
技术公布日：2024/1/13