燃料电池-超级电容混合供电系统的分散式功率分配法技术方案

本发明专利技术公开了一种燃料电池‑超级电容混合供电系统的分散式功率分配法，属于电气化交通领域和直流微电网领域，其包括，步骤1：建立燃料电池‑超级电容混合供电系统；步骤2：设计控制器对燃料电池‑超级电容混合供电系统进行控制；步骤3：对燃料电池‑超级电容混合供电系统设置控制参数，以实现分散式动态功率分配。本发明专利技术燃料电池‑超级电容混合供电系统，不仅能实现脉动负载功率在不同供电单元间的动态优化分配，高频的功率脉动由超级电容提供，低频的缓变功率由燃料电池提供；而且在稳定状态下还可实现母线电压和超级电容荷电状态的自动恢复。此外，本发明专利技术还可实现超级电容的过充过放保护，以保证超级电容工作在正常工作区。

Distributed power allocation method of hybrid fuel cell power system super capacitor

The invention discloses a distributed power allocation method, a fuel cell super capacitor hybrid power system including, step 1: establish a hybrid fuel cell power system super capacitor; step 2: design the controller to control the hybrid fuel cell power system super capacitor; step 3: the hybrid fuel cell power system super capacitor set control parameters to achieve decentralized dynamic power allocation. Distributed power allocation method of the fuel cell super capacitor hybrid power supply system, not only can realize the pulsation of hybrid fuel cell power system super capacitor dynamic optimization of load distribution in different power supply unit between the power fluctuating high frequency provided by the super capacitor, slowly varying low-frequency power provided by the fuel cell; and automatic recovery in the steady state can also realize the bus voltage and the super capacitor charged state. In addition, the invention can realize the overcharge and over discharge protection of the super capacitor, so as to ensure the super capacitor to work in the normal working area.

【技术实现步骤摘要】
燃料电池-超级电容混合供电系统的分散式功率分配法
本专利技术涉及混合储能系统、混合供电系统
，特别涉及一种混合供电系统的分散式功率分配法。
技术介绍
随着世界性能源危机的日益加剧以及环境污染问题日益突出，清洁、绿色、高效的可再生能源发电技术得到了快速发展。因燃料电池具有清洁、高效、高功率密度、低噪音和配置灵活等优点，采用燃料电池替换传统发电单元已成为解决传统内燃机发电系统低效率、高油耗、高噪音、高污染问题的主要措施之一。由于现代电气系统(如多电飞机、电动汽车、多电船等)中大量新型电气化负载的负荷曲线具有强脉动、快变化特性(周期几十至几百毫秒)，然而动态响应较慢的燃料电池(几秒至几十秒)难以提供负载所需动态功率。不仅如此，现代电气系统在某些运行状态下，负载会产生大量再生能量向源回馈。而燃料电池无法存储回馈能量，需要额外安装卸荷电阻对其进行耗散，势必会增大系统体积和重量。因此，单一采用燃料电池难以满足现代电气系统中新型电气化负载的供电需求。为解决这一问题，集成多个供电单元(如燃料电池、蓄电池和超级电容等)的混合供电系统得到了工业界和学术界重视，成为了一种潜在的解决方案。根据报道，在未来电气系统中，燃料电池-超级电容混合供电系统是最具竞争力的混合供电系统。燃料电池-超级电容混合供电系统中不同供电单元具有不同的能量密度、功率密度和动态响应特性，可分别满足负载不同功率需求：因燃料电池功率密度低、动态响应慢，但能量密度高，可由其在混合供电系统运行过程中连续向负载提供所需功率的低频分量；超级电容因能量密度低，但功率密度高，动态响应快，可提供负载功率的高频脉动分量。如此，可全面优化混合供电系统的运行效率和整体性能。显然，负载功率在不同特性的供电单元间合理分配需要优化的功率分配控制方法来实现。研究出一种优良的功率分配控制方法是保证混合供电系统能够成功运用于未来电气系统的关键，具有极为重要的理论意义和现实价值。因燃料电池和超级电容均为直流供电单元，两者可通过直直变换器并联构成混合供电系统。负载功率在两者间的优化分配可通过对端口变换器施加合理的控制来实现。目前，国内外已有相关文献研究燃料电池-超级电容混合供电系统的功率优化分配控制问题。对现有方法进行分析总结，可大致归为两类：第一类控制方法为基于对负载功率分频的传统功率分配控制方法，具有实现简单，技术成熟的优点。典型研究包括：题为“Dynamicenergymanagementofrenewablegridintegratedhybridenergystoragesystem”,N.R.Tummuru,M.K.Mishra,andS.Srinivas,《IEEEtransactionsonIndustrialElectronics》,2015,62(12):7728–7737的文章和题为“Real-timeenergymanagementalgorithmformitigationofpulseloadsinhybridmicrogrids”,A.Mohamed,V.Salehi,andO.Mohammed,《IEEETransactionsonSmartGrid》,2012,3(4):1911–1922的文章针对燃料电池-超级电容系统提出了一种简单的基于高通和低通滤波器的功率分配控制方法。该方法运用高通和低通滤波器对检测到的负载功率进行滤波，并将高通和低通滤波后的信号分别作为超级电容和燃料电池端口变换器的功率控制环基准，实现了由超级电容提供脉动功率，燃料电池提供平均功率的目标；题为“Asupervisorypower-splittingapproachforanewultracapacitor–batteryvehicledeployingtwopropulsionmachines”,S.DusmezandA.Khaligh,《IEEETransactionsonIndustrialInformatics》,2014,10(3):1960–1971的文章中，研究者首先运用小波变换法分离了负载功率的高频和低频分量，之后运用与上述文章中类似的端口变换器控制方法实现了负载功率在不同供电单元间的优化分配；题为“Amodelpredictivecontrolsystemforahybridbatteryultracapacitorpowersource”,B.Hredzak,V.G.Agelidis,M.Jang,《IEEETransactionsonPowerElectronics》,2014,29(3):1469-1479的文章则提出了一种模型预测控制方法来分离负载功率的高频和低频分量，同样实现了功率优化分配的控制目标。第二类控制方法为基于神经网络、模糊逻辑等先进算法的多目标优化控制方法，该类方法实现复杂、运算耗时，为满足功率控制实时性要求，需要配备性能更优、成本更高的控制芯片。典型研究包括：题为“多能源复合型电动汽车充换储放电站的能量管理技术研究”，代倩,武汉:华中科技大学,2014的文章中提出的基于神经网络的多目标优化策略；题为“ExperimentalvalidationofenergystoragesystemmanagementstrategiesforalocalDCdistributionsystemofmoreelectricaircraft”,H.Zhang,F.Mollet,C.Saudemont,B.Robyns,《IEEETransactionsonIndustrialElectronics》,2010,57(12):3905-3916的文章中提出的基于模糊控制的多目标优化策略等。分析以上两类方法还可发现，现有策略均为基于通信的集中控制。功率优化分配控制的实现首先需要集中控制器对负载功率进行采样，并计算出各供电单元的功率基准。然后由通信网络将功率基准传递给相应供电单元的端口变换器，通过变换器控制实现功率优化分配。然而，因通信必然存在延时，功率优化分配性能难以保证。而且系统扩展性差，增加储能单元数量不仅会增加通信复杂度，而且要求重新设计功率分配控制算法，难以适应系统扩容需求。为解决集中控制的缺点，已有学者着手研究适用于混合供电系统的分散式功率分配控制方法。题为“Decentralizedpowermanagementinahybridfuelcellultracapacitorsystem”,O.Madani,A.Bhattacharjee,andT.Das,《IEEETransactionsonControlSystemsTechnology》,2016,24(3):765–778的文章中研究了一种针对燃料电池-超级电容系统的分散式功率分配控制方法，功率优化分配无需通信网络。但可注意到该方法实现时需要负载电流这一公共信号，不是真正意义的分散控制。题为“Frequency-coordinatingvirtualimpedanceforautonomouspowermanagementofDCmicrogrid”,Y.Gu,W.Li,《IEEETransactionsonPowerElectronics》,2015,30(4):2328-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃料电池‑超级电容混合供电系统的分散式功率分配法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：建立燃料电池‑超级电容混合供电系统，其包括燃料电池、燃料电池的DC/DC变换器、超级电容、超级电容的DC/DC变换器和卸荷电路；步骤2：设计控制器对燃料电池‑超级电容混合供电系统进行控制a1、采用带电压补偿的虚拟电阻下垂控制器对燃料电池DC/DC变换器的外环电压进行控制，以使其输出电压自动恢复到参考电压，其输出的伏安特性为：

【技术特征摘要】
1.一种燃料电池-超级电容混合供电系统的分散式功率分配法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：建立燃料电池-超级电容混合供电系统，其包括燃料电池、燃料电池的DC/DC变换器、超级电容、超级电容的DC/DC变换器和卸荷电路；步骤2：设计控制器对燃料电池-超级电容混合供电系统进行控制a1、采用带电压补偿的虚拟电阻下垂控制器对燃料电池DC/DC变换器的外环电压进行控制，以使其输出电压自动恢复到参考电压，其输出的伏安特性为：式中，Vnom为直流母线的电压标称值，VoFC和ioFC分别为燃料电池DC/DC变换器的输出电压和输出电流，Rv1为燃料电池DC/DC变换器的虚拟电阻，ki1为燃料电池DC/DC变换器电压补偿环节的积分常数；a2、采用电压环PI控制器对燃料电池DC/DC变换器的内环电压电压进行控制，并采用电流环PI控制器对燃料电池DC/DC变换器的内环电流进行控制；b1：采用带过充过放保护的虚拟电容下垂控制器对超级电容DC/DC变换器的外环电压进行控制，以使其输出的伏安特性为：式中，Vnom为直流母线的电压标称值，VoSC和ioSC分别为超级电容DC/DC变换器的输出电压和输出电流，Cv1、Cv2和Cv3为超级电容DC/DC变换器的虚拟电容，Rv2和Rv3为超级电容DC/DC变换器的虚拟电阻，ki2和ki3为超级电容DC/DC变换器电压补偿环节的积分常数，SoC为超级电电容的荷电状态；b2、采用电压环PI控制器对超级电容DC/DC变换器的内环电压进行控制，并采用电流环PI控制器对超级电容DC/DC变换器的内环电流流进行控制；c：采用卸荷电路控制器对卸荷电路进行控制；步骤3：对燃料电池-超级电容混合供电系统设置控制参数，以实现分散式动态功率分配；a、当超级电容处于正常工作区，即超级电容的荷电状态为0.3＜SoC＜0.7，负载电流在不同供电单元间的分配关系为：1将等式(3)和(4)利用标准形式改写为：式中，自然频率ωn和阻尼比ζ分别为：根据滤波器截止频率的定义有：由等式(9)得到自然频率ωn为：根据等式(7)、(8)和(10)得到：<...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈家伟，宋清超，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50