一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，属于燃料电池系统优化控制领域。包括以下步骤：首先系统控制参量初始化，包括多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化，以及多堆燃料电池系统调控序列参量和多堆燃料电池系统实际净输出功率参量初始化；然后，系统故障容错更新，包括针对故障单堆燃料电池系统退出运行时与修复单堆燃料电池系统恢复运行时的系统初始净输出功率参量和调控序列参量更新；最后，基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算，包括基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统有效净输出功率需求计算，以及在此基础上的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算。

【技术实现步骤摘要】
一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法
本专利技术属于多堆燃料电池系统优化控制领域，具体涉及一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法。
技术介绍
质子交换膜燃料电池作为氢能应用的重要载体，具有高效、环保的特点。近年来，随着商用质子交换膜燃料电池集成技术的快速发展，大功率集成质子交换膜燃料电池系统具有广阔的应用前景，特别是在电动汽车、城市轨道交通以及多电飞机等领域。然而，系统功率需求的增加势必要求单堆中单电池数量和单电池膜面积的二维增长，由此导致的单电池不一致性恶化对电堆效率和使用寿命有显著的负面影响。一方面，单堆中的单电池动态性能一致性无法得到保证；另一方面，由于电堆固有的单电池串联木桶效应，会导致电堆可用功率不足而输出性能下降，进而影响系统服役寿命。相比而言，模块化多堆燃料电池系统虽然增加了系统成本和管理复杂度，但可以有效地弥补高功率单堆在效率、可靠性和耐久性方面的不足。因此，多堆燃料电池系统在大功率应用中更具应用前景。其中，有效的多堆协同控制策略是确保多堆燃料电池系统燃料经济性和服役寿命的关键。目前的多堆燃料电池系统协同控制方法主要包括基于效率优化和计及系统耐久的协同控制方法。但前者仅考虑性能相同单堆构成的多堆燃料电池系统的效率协同优化，并未考虑多堆性能差异对系统燃料经济性和服役寿命的影响，因而会显著降低系统的服役寿命。后者基于多堆安全运行域，在考虑多堆性能衰退均衡基础上实现多堆投切优先级的自适应调整。然而，该方法中，多堆的逐级投切导致的效率下降不可避免，这将显著影响多堆系统的综合能效。因此，已有方法在多堆燃料电池系统燃料经济性和服役寿命协同提升方面仍有待提高。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术以燃料经济性和耐久性协同提升为目标提出了一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法。本专利技术的技术方案如下：一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，包括如下步骤：S1.系统控制参量初始化，包括多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化、调控序列参量和实际净输出功率参量初始化；S2.系统故障容错更新，包括针对故障单堆燃料电池系统退出运行时与修复单堆燃料电池系统恢复运行时的多堆燃料电池系统初始净输出功率参量和调控序列参量更新；S3.基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算，包括基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统有效净输出功率需求计算，以及在此基础上的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算。优选地，步骤S1中，多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化的过程具体为：S101.根据多堆燃料电池系统净输出功率与多堆燃料电池系统氢耗量实测数据，拟合得到如式(1)所示各单堆燃料电池系统的等效氢耗率模型：其中，p2、p1和p0分别表示单堆燃料电池系统等效氢耗率模型的二次项系数、一次项系数和常数项系数；Pnet表示单堆燃料电池系统的净输出功率；HCR(Pnet)表示单堆燃料电池系统在当前净输出功率下的氢耗率；S102.基于双堆等效迭代思想，根据式(2)计算等效双堆虚拟净输出功率增量：其中，ΔPj,n表示第j个单堆燃料电池系统的虚拟净功率增量，表示由其余单堆燃料电池系统组成的等效单堆燃料电池系统的虚拟净输出功率增量，p2,j和分别表示第j个单堆燃料电池系统和等效单堆燃料电池系统的氢耗率模型的二次项系数，ΔPMFCS,n表示多堆燃料电池系统的总功率需求；系数kj如式(3)所示：S103.根据式(4)所示第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率和等效单堆燃料电池系统虚拟净输出功率的迭代形式，迭代得到第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率Pj,n和等效单堆燃料电池系统虚拟净输出功率其中，γc表示引入的一个收敛增益系数；式(2)中HCMFCS对Pj的导数迭代估计如式(5)所示：其中，n为迭代步数，和分别表示第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率的估计值及其一阶导数和二阶导数；分别表示第n-1步迭代时第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率估计值；和分别表示第n步迭代和第n-1步迭代时第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率增量的估计值；Pd表示各单堆燃料电池系统在最小净功率输出{Pmin,j}(j＝1,...,m)下的多堆燃料电池系统功率需求，m为多堆燃料电池系统中的单堆燃料电池系统个数；Δt表示迭代过程的迭代步长；κ1和κ2为增益参数；p1,j和分别表示第j个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的一次项系数，其中的表达式如式(6)所示：其中，p2,j-1和分别表示第j-1个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的二次项系数；p1,j-1和分别表示第j-1个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的一次项系数；当HCMFCS对Pj的导数迭代估计值下降至指定阈值时，此时有Pinit,j＝Pj,n；其中，Pinit,j为第j个单堆燃料电池系统的虚拟净功率初始值。优选地，步骤S1中，调控序列参量包括多堆燃料电池系统的功率分配使能序列，以及与多堆燃料电池系统的功率分配使能序列对应的单堆燃料电池系统使能序列；还包括多堆燃料电池系统的功率分配禁能序列，以及与多堆燃料电池系统的功率分配禁能序列对应的单堆燃料电池系统禁能序列。优选地，多堆燃料电池系统调控序列参量和实际净输出功率参量初始化的具体过程为：首先，多堆燃料电池系统的功率分配使能序列计算如式(7)所示，其中，PDES,i为多堆燃料电池系统的分配使能序列的第i个序列值，对应于使能按照式(8)所示使能功率增量序列{ΔPDES,i}(i＝1,…,m)降序排列后第i个序列增量对应的单堆燃料电池系统，进而，与原始使能功率增量序列{ΔPDES,i}(i＝1,…,m)同步排序，得到多堆燃料电池系统的单堆燃料电池系统使能序列{IDES,i}(i＝1,…,m)；同时，得到更新的多堆燃料电池系统实际净输出功率参量初始值，如式(9)所示，其中，为多堆燃料电池系统中根据各单堆燃料电池系统等效氢耗率模型二次项系数升序排序的第i个单堆燃料电池系统的实际净输出功率参量更新初始值；多堆燃料电池系统的功率分配禁能序列计算如式(10)所示，其中，PDDS,i为多堆燃料电池系统的分配禁能序列的第i个序列值，对应于禁能按照式(11)所示禁能功率增量序列{ΔPDDS,i}(i＝1,…,m)升序排列后第i个序列增量对应的单堆燃料电池系统，其中，Pmax,i表示第i个序列值对应的单堆燃料电池系统的最大净输出功率；进而，与原始禁能功率增量序列{ΔPDDS,i}(i＝1,…,m)同步排序，得到多堆燃料电池系统的单堆燃料电池系统禁能序列{IDDS,i}(i＝1,…,m)。优选地，步骤S2中，故障单堆燃料电池系统退出运行时的多堆燃料电池系统初始净输出功率参量和调控序列参量更新的具体步骤为：当第i个单堆燃料本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，其特征在于，包括如下步骤：/nS1.系统控制参量初始化，包括多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化、调控序列参量和实际净输出功率参量初始化；/nS2.系统故障容错更新，包括针对故障单堆燃料电池系统退出运行时与修复单堆燃料电池系统恢复运行时的多堆燃料电池系统初始净输出功率参量和调控序列参量更新；/nS3.基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算，包括基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统有效净输出功率需求计算，以及在此基础上的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.系统控制参量初始化，包括多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化、调控序列参量和实际净输出功率参量初始化；
S2.系统故障容错更新，包括针对故障单堆燃料电池系统退出运行时与修复单堆燃料电池系统恢复运行时的多堆燃料电池系统初始净输出功率参量和调控序列参量更新；
S3.基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算，包括基于系统功率需求定位的多堆燃料电池系统有效净输出功率需求计算，以及在此基础上的多堆燃料电池系统全局净输出功率增量计算。


2.根据权利要求1所述的一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，多堆燃料电池系统初始虚拟净输出功率参量初始化的过程具体为：
S101.根据多堆燃料电池系统净输出功率与多堆燃料电池系统氢耗量实测数据，拟合得到如式(1)所示各单堆燃料电池系统的等效氢耗率模型：



其中，p2、p1和p0分别表示单堆燃料电池系统等效氢耗率模型的二次项系数、一次项系数和常数项系数；Pnet表示单堆燃料电池系统的净输出功率；HCR(Pnet)表示单堆燃料电池系统在当前净输出功率下的氢耗率；
S102.基于双堆等效迭代思想，根据式(2)计算等效双堆虚拟净输出功率增量：



其中，ΔPj,n表示第j个单堆燃料电池系统的虚拟净功率增量，表示由其余单堆燃料电池系统组成的等效单堆燃料电池系统的虚拟净输出功率增量，p2,j和分别表示第j个单堆燃料电池系统和等效单堆燃料电池系统的氢耗率模型的二次项系数，ΔPMFCS,n表示多堆燃料电池系统的总功率需求；系数kj如式(3)所示：



S103.根据式(4)所示第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率和等效单堆燃料电池系统虚拟净输出功率的迭代形式，迭代得到第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率Pj,n和等效单堆燃料电池系统虚拟净输出功率



其中，γc表示引入的一个收敛增益系数；
式(2)中HCMFCS对Pj的导数迭代估计如式(5)所示：



其中，n为迭代步数，和分别表示第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率的估计值及其一阶导数和二阶导数；表示第n-1步迭代时第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率估计值；和分别表示第n步迭代和第n-1步迭代时第j个单堆燃料电池系统虚拟净输出功率增量的估计值；Pd表示各单堆燃料电池系统在最小净功率输出{Pmin,j}(j＝1,...,m)下的多堆燃料电池系统功率需求，m为多堆燃料电池系统中的单堆燃料电池系统个数；Δt表示迭代过程的迭代步长；κ1和κ2为增益参数；p1,j和分别表示第j个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的一次项系数，其中的表达式如式(6)所示：



其中，p2,j-1和分别表示第j-1个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的二次项系数；p1,j-1和分别表示第j-1个单堆燃料电池和等效单堆燃料电池系统氢耗率模型的一次项系数；
当HCMFCS对Pj的导数迭代估计值下降至指定阈值时，此时有Pinit,j＝Pj,n；其中，Pinit,j为第j个单堆燃料电池系统的虚拟净功率初始值。


3.根据权利要求2所述的一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，其特征在于，所述步骤S1中，调控序列参量包括多堆燃料电池系统的功率分配使能序列，以及与多堆燃料电池系统的功率分配使能序列对应的单堆燃料电池系统使能序列；还包括多堆燃料电池系统的功率分配禁能序列，以及与多堆燃料电池系统的功率分配禁能序列对应的单堆燃料电池系统禁能序列。


4.根据权利要求3所述的一种多堆燃料电池系统净输出功率增量分配方法，其特征在于，所述多堆燃料电池系统调控序列参量和实际净输出功率参量初始化的具体过程为：
首先，多堆燃料电池系统的功率分配使能序列计算如式(7)所示，



其中，PDES,i为多堆燃料电池系统的分配使能序列的第i个序列值，对应于使能按照式(8)所示使能功率增量序列{ΔPDES,i}(i＝1,…,m)降序排列后第i个序列增量对应的单堆燃料电池系统，
...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭飞，尚志宇，李鑫，武科文，李立伟，王凯，张明，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37