一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法与流程

本发明属于燃料电池，涉及一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法，尤其涉及一种基于多模组燃料电池系统发电效率以及燃料电池系统集群寿命管理的多模组燃料电池系统并联能量管理方法。

背景技术：

1、目前，氢燃料电池在发电场景的应用得到了广泛推广，装机量逐步攀升。单一的燃料电池系统大多数为百千瓦级，而大型电力系统的装机容量需求一般为兆瓦级或吉瓦级别，单一燃料电池系统无法承担如此大的发电需求。

2、为了满足大容量电力系统的需求，燃料电池系统可以通过并机实现容量的扩充。燃料电池多系统并联后，必然会面临着多系统的能量管理与调度的问题。

3、现有能量分配与调度策略都没有从系统本身出发，直接将总的能量需求按照数学方式进行分配。由于燃料电池系统本身较为脆弱，脱离了系统本身设计的能量分配策略势必会对系统带来不利影响：

4、a、负载均衡的方式虽说可以保证系统的寿命一致性，但是在小功率请求下单台系统的运行功率较低，系统附加损耗大，氢气利用率低下；

5、b、菊花链的能量分配方式，会使得部分系统一直处于满负荷工作状态下，寿命衰减严重，而排在菊花链末端的模组基本不工作，不同燃料电池系统的寿命一致性差；

6、c、优化的菊花链方式尽管可以克服菊花链下的部分模组长期处于高负荷工作状态导致的寿命衰减问题，但相比较来说只是减少了衰减速度，本质上没有解决整个燃料电池系统集群的寿命一致性问题。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法，包括以下步骤：

4、步骤1：获取总功率请求，基于总功率请求初步计算开机的pack数量；

5、结合每个pack提供的理论最大功率，计算满足总功率请求下所需的最小开机数量n，计算公式如下：

6、

7、其中，[]表示向上取整运算，ptotal为总功率需求，pmax为pack的理论最大功率输出；

8、步骤2：对每个pack的功率-效率曲线进行在线辨识，其在线辨识流程如下：

9、首先，基于下式(2)对燃料电池系统进行半经验参数建模；

10、vfc＝ncell(enernst+vact+vohmic+vcon)  (2)

11、其中，vfc表示电堆的输出电压，ncell表示的电堆片数，enernst为开路电压，vact为活化损失，vohmic为欧姆损失，vcon为浓差损失，

12、其中

13、

14、vact＝θ1+tθ2+tln(c(o2))θ3+tln(i)θ4

15、

16、vohmic＝-irinternal

17、

18、公式中t为温度，ph2为氢气压力，po2为氧气压力，c(o2)为氧气浓度，i为电流，rinternal为膜电极内阻，b为浓差损失经验参数，imax为穿越电流参数，η＝[θ1，θ2，θ3，θ4，rinternal，b，imax]为待辨识参数；

19、接着，通过对该非线性系统进行粒子滤波估计，得到待辨识参数值；

20、步骤3：基于pack的功率-效率曲线，对总功率进行分配，使得多模组燃料电池并联系统的综合效率理论最优；

21、基于步骤1计算得到的最小开机数量n，再结合步骤2辨识得到的电堆功率效率曲线，分别计算开机数量为n，(n+1)和(n+2)情况下的功率分配以及对应的多模块燃料电池并联系统综合效率，通过对比不同开机数量下的综合效率，选定实际开机数量n，以及对应的功率分配序列pn(n＝1，2...n)；

22、步骤4：获取每个pack的寿命特征值；

23、取子系统电堆的单片电压信息为数据集，提取pack的寿命特征值辨识流程：

24、步骤41：过滤数据，按照偏差进行排列，剔除偏差最大的10％个特征；

25、步骤42：重新求取剩余单片电压均值相对于满量寿命参考电压值的占比作为pack寿命特征期望值，利用卡方检验计算单片电压拟合度，卡方检验公式如下：

26、

27、其中，vi为单片电压，vfull为满寿命的单片电压参考值，vavg为单片电压平均值；

28、步骤43：若检验结果大于0.05，则拒绝上述pack寿命特征期望值，重复步骤41，直到求取满足期望频数的结果，作为pack寿命预估特征值；

29、步骤5：基于寿命特征值，对每个pack进行运行功率部署；

30、在得到pack寿命特征值以后，以pack为单位对寿命预估特征值进行排序，将步骤3得到的功率分配序列pn，按照pack寿命的特征值从大到小配对；

31、步骤6：在线动态修正功率分配，寻找满足多模组燃料电池并联系统的综合效率最高的工作点；

32、基于步骤5得到的分配序列，在多模组燃料电池并联系统运行过程中，通过动态调节pack的功率分配，按照式(9)计算对应功率分配下的系统综合效率，对比不同功率分配下的系统综合效率ηsys，得到系统综合效率达到最大的功率分配序列；

33、

34、优选地，所述的一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法，步骤2中对该非线性系统进行粒子滤波估计，得到待辨识参数值，计算过程如下：

35、1)状态预测其中，上标i代表第i个粒子估计值，k代表第k个采样步，w代表建模过程噪声；

36、2)计算粒子权重，对i＝1，2，3...n计算：

37、

38、

39、其中，q代表当前量测值在该粒子状态预测值条件下的似然概率，该似然概率通过量测噪声v的概率分布计算得到，即p，y代表量测值，h为利用公式(2)得到的量测矩阵；

40、3)计算后验期望值：

41、

42、4)重采样，对i＝1，2…n随机生成a∈[0，1]

43、

44、其中，w代表归一化后的粒子权重，a为0到1之间生成的随机数；

45、该式意为对权重w从第一个粒子开始累加，直到累加和第一次超过a，即1到1-1粒子的权重累加和小于a但1到1粒子的累加和大于a；

46、定义回到1)的步骤；

47、由参数可以得到各独立燃料电池系统的功率曲线及效率曲线，其中功率曲线可由式(2)直接获得，效率曲线考虑电堆自身效率，附件损耗及dc转换器效率，由下式(7)计算获得：

48、

49、其中，vsfg为电堆工作电压，pfc为电堆功率，paux为附件的损耗功率，ηsfc为系统效率，ηfc为电堆效率，ηaux为附件损耗折算得到的效率，ηele为dc发电效率。

50、优选地，所述的一种多模组燃料电池并联系统能量管理方法，能量管理的约束边界包括整个燃料电池并联系统的发电效率最高和pack的寿命一致，且老化程度最低。

51、借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

52、本发明解决了传统负载均衡的功率分配策略中系统发电效率低的问题，同时也针对基于菊花链形式的能量分配策略中部分子系统中电堆寿命一致性差，衰减严重的问题进行了优化处理。本发明既能保证多模组燃料电池并联发电系统的综合效率最优，又可以保证系统的电堆寿命一致性，使得系统整体的老化程度尽可能降低。

53、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。