考虑寿命优化的多堆PEMFC发电系统启停协调控制方法

本发明涉及燃料电池，尤其涉及一种考虑寿命优化的多堆pemfc发电系统启停协调控制方法。

背景技术：

1、能源是社会发展和国民经济的重要支柱，随着化石燃料等不可再生能源的日益枯竭，全球能源危机和环境问题亟待解决。氢能是一种高效清洁、安全可持续的新能源，是人类未来解决能源问题的主要发展方向。而燃料电池是一种将氢气等燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置，具有高能量转换效率、高安全性、环保低噪音等优点，在分布式发电、交通车辆及移动设备等领域应用广泛，是一种发展潜力巨大的发电装置。

2、质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，pemfc)在具备以上优点的同时，还有室温下快速启动、无电解液流失等优点，非常适合作为移动电源和分布式电源使用。然而，由于目前质子交换膜燃料电池单体功率等级不高，难以满足大功率使用场景实时功率需求；同时其复杂的整体结构和严苛的材料要求导致其工作性能易受环境影响，耐久性不足、成本相对较高等缺点不容忽视，因此采用质子交换膜燃料电池作为电源必须关注其功率等级和耐久性的问题。

3、当单堆pemfc系统以并联的拓扑结构多堆协同运行时，其功率等级、整体效率能够得到较大提升，有效地增加pemfc发电系统的冗余，提高系统工作的稳定性、可靠性。常用的传统功率分配策略主要有平均分配策略和逐级分配策略。平均分配策略即全部电堆系统同时启动，当系统处在低功率区间时成本较高且效率较低，该策略的最低输出功率为所有子系统最低输出功率之和,针对低功率区间缺陷明显；逐级分配策略可以实现系统更宽功率范围输出，在低功率输出时可明显提高系统效率，但仅仅在第一个电堆运行时效率最高，随着更多的电堆投运，整体系统效率急剧降低。

技术实现思路

1、为解决以上问题，本发明提供一种考虑寿命优化的多堆pemfc发电系统启停协调控制方法，根据使用场景确定系统高效率范围，以该范围区间的效率最低值为评价指标，通过简单的控制方法，合理启停各个单堆pemfc系统，在保证多堆pemfc发电系统以较高效率稳定运行的同时，大幅减少系统各电堆启停次数，提升系统使用寿命，降低维护成本。

2、本发明采用的技术方案是：一种考虑寿命优化的多堆pemfc发电系统启停协调控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

3、s10：建立由多个相同的单堆pemfc系统并联构成的多堆pemfc发电系统拓扑结构；

4、s20：计算单堆pemfc系统效率，获得单堆pemfc系统效率随输出功率的变化关系；根据实际测试数据，绘出不同数量单堆pemfc子系统启动时效率随输出功率变化曲线；

5、s30：根据使用场景确定系统高效率范围，通过多堆pemfc发电系统启停协调控制方法，以该范围区间的效率最低值为评价指标，合理启停各个单堆pemfc子系统，在保证多堆pemfc发电系统以较高效率稳定运行的同时，大幅减少系统各电堆启停次数，提升系统使用寿命，降低维护成本。

6、作为优选，步骤s10中，建立的多堆pemfc发电系统拓扑结构是由多个单堆pemfc系统采用并联拓扑的形式构成，以增加pemfc系统冗余，提升系统功率等级和稳定性；每个单堆pemfc系统均包括pemfc电堆和dc/dc变换器，每个pemfc电堆级联一个dc/dc变换器连接于直流母线，该拓扑结构下多堆pemfc发电系统既可实现单堆pemfc子系统独立运行和控制，也可以逐个或同时投入保持多堆同时运行。

7、作为优选，步骤s30中，pemfc发电系统效率主要由燃料利用率、电堆转化效率以及系统电效率组成，单堆pemfc系统效率ηfc_sys计算公式为：

8、ηfc_sys＝ηfuel·ηconv·ηelec

9、式中：ηfuel为燃料利用率、ηconv为电堆转化效率、ηelec为系统电效率。

10、作为优选，步骤s30中，燃料利用率ηfuel为pemfc消耗的氢气与供应给pemfc的氢气之间的比率，多堆pemfc发电系统氢气均循环使用，计算公式为：

11、

12、式中：eh2_consummed为消耗氢气的化学能、eh2_in为进入氢气的化学能、mh2_consummed为消耗的氢气质量、mh2_in为进入的氢气质量。

13、作为优选，步骤s30中，电堆转化效率ηconv为pemfc产生电能estack与所消耗氢气的化学能eh2_consummed之间的比率，与pemfc输出电压vc和反应热eheat有关，计算公式为：

14、

15、作为优选，步骤s30中，系统电效率ηelec为pemfc输出能量enet与产生能量estack之间的比率，系统电效率包括空压机等辅机设备的pemfc发电系统的电效率eaux/estack和单向dc/dc变换器的效率ηdc/dc组成，计算公式为：

16、

17、作为优选，步骤s30中根据实际测试数据，绘出不同数量单堆pemfc系统启动时效率随输出功率变化曲线：根据系统实际运行特性，采集计算实际工况下不同数量单堆pemfc子系统启动时的输出功率和整体系统效率，绘出不同数量单堆pemfc子系统启动时整体系统效率随输出功率变化的特性曲线。

18、作为优选，在步骤s40中，根据使用场景确定系统高效率范围，通过多堆pemfc发电系统启停协调控制方法，以该范围区间的效率最低值为评价指标，合理启停各个单堆pemfc子系统，在保证多堆pemfc发电系统以较高效率稳定运行的同时，大幅减少系统各电堆启停次数：根据整体系统效率随输出功率变化的特性曲线和根据使用场景确定系统高效率范围，判断是否启动或停止单堆pemfc子系统来维持整体系统效率值在给定的系统高效率范围内，即确定实时运行的电堆数目；

19、当采用k个单堆pemfc子系统的整体效率大于等于给定的系统效率最低值时，无需投入新的电堆；当负载功率逐渐增大，整体系统效率下降至给定的系统效率最低值时，需要投入第(k+1)个单堆pemfc子系统，以提升整体系统效率；此处功率为第(k+1)个单堆pemfc子系统启动转折功率p(k)h,max，当负载功率pload小于p(k)h,max时，负载功率由前k个单堆pemfc子系统共同分担，其各自分担功率pfck为下式:

20、pload＝pfc1+pfc2+…+pfck

21、pfc1＝pfc2＝…＝pfck

22、当采用k个单堆pemfc子系统的整体效率大于等于给定的系统效率最低值时，无需撤出正在运行的电堆；当负载功率逐渐减小，整体系统效率下降至给定的系统效率最低值时，需要撤出第k个单堆pemfc子系统，以提升整体系统效率；此处功率为第k个单堆pemfc子系统停止转折功率p(k)h,min，当负载功率pload大于p(k)h,min时，负载功率由前k个单堆pemfc子系统共同分担；

23、多堆pemfc发电系统实时根据负载变化情况，以给定的系统效率最低值为评价指标，自动判别启停单堆pemfc子系统的数目。

24、本发明取得的有益效果是：本发明考虑多堆pemfc发电系统在满足整体系统效率要求的基础上减少启停的寿命优化问题，提出一种考虑寿命优化的多堆pemfc发电系统启停协调控制方法：根据使用场景确定系统高效率范围，通过多堆pemfc发电系统启停协调控制方法，以该范围区间的效率最低值为评价指标，合理启停各个单堆pemfc子系统，在保证多堆pemfc发电系统以较高效率稳定运行的同时，大幅减少系统各电堆启停次数，提升系统使用寿命，降低维护成本。

25、本发明有效提高pemfc功率等级，单个pemfc电堆级联一个dc/dc变换器连接于直流母线，该拓扑结构下多堆pemfc发电系统既可实现单堆pemfc子系统独立运行和控制，也可以逐个或同时投入保持多堆同时运行。

26、发明中多堆pemfc发电系统实时根据负载变化情况，以给定的系统效率最低值为评价指标，自动判别启停单堆pemfc子系统的数目；在不同的使用场景下，可根据场景负载特性灵活改变系统效率最低值，寻求多堆pemfc发电系统在整体效率和寿命优化间的平衡。

27、本发明在保证多堆pemfc发电系统运行时整体系统效率值在设定最低值以上的同时，大幅减少系统各电堆启停次数，延缓由启停机引起的总体电压下降，延长系统使用寿命，降低维护成本，提高多堆pemfc发电系统整体性能。