CN113459902B - 一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，监测每个燃料电池的输出电压和电流变化情况，依据所测信号在线辨识每个燃料电池运行参数，基于迭代法求解协调分配系数矩阵实时获取每个燃料电池的参考输出功率实现维持燃料电池阵列在最大效率点处运行的目的，同时考虑到燃料电池性能随着输出功率变化不一致而出现的衰减情况本发明专利通过采用实时编码排序的方式通过记录矩阵保持着性能较好的燃料电池总是率先达到功率峰值，减缓性能较差的燃料电池的运行压力。本发明最大化燃料电池阵列的系统效率减少系统氢气消耗实现燃料经济性目的并且依据对燃料电池自编组滚动排序轮换出力有效延长燃料电池使用寿命，降低系统运行维护成本。

Description

一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法。
背景技术
燃料电池具有能量转化效率高的优势，且对环境完全无污染，因此由它作为核心的燃料电池混合动力系统近年来受到极大关注，在有轨电车的实际运行过程中，牵引系统的需求功率通常呈现出“高峰值”特性，其功率峰值往往可达兆瓦级别；同时，整个列车运行区间的平均需求功率也会有千瓦。虽然超级电容的加入可以使动力源系统满足功率峰值需求，但考虑到单个质子交换膜燃料电池的功率等级仅有约一百千瓦，因此单套燃料电池系统明显无法满足牵引系统的功率需求。为了满足牵引系统的平均功率需求，需要将多个单套燃料电池并联构成燃料电池阵列进行使用。然而，目前针对多堆燃料电池系统控制与优化的研究成果较少，且主要以同参数类型的多堆燃料电池系统为研究对象，并没有考虑燃料电池运行参数变化下控制方法对系统运行效率变化的影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，使得各燃料电池运行参数在变化情况下也能一直保持燃料电池阵列在最大效率点运行，且能通过滚动排序使得燃料电池阵列始终保持性能由高到低的顺序依次出力，延长性能衰退较快的电堆的使用寿命，提高燃料电池阵列的供电可靠性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，包括步骤：
S100，采集燃料电池阵列中每个燃料电池输出端的电压和电流信号，采集燃料电池阵列中每个变换器输出端的电压和电流信号，采集负载侧电压和电流信号计算需求功率；
S200，通过采集得到的电压电流信号计算每组燃料电池系统输出功率，以及每组燃料电池单位时间内消耗氢气产生的热量，在线拟合单位时间能耗与每组燃料电池系统输出功率之间的能耗功率曲线关系式；
S300，设定每个燃料电池最大输出功率Pmax，设定每个燃料电池系统切换点功率Pend_i，设定燃料电池性能差异排序变量Rlabel，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，计算每个燃料电池参考输出功率Pref；通过计算协调功率分配矩阵燃料电池排序变量和切换点功率；
S400，确定燃料电池阵列中各燃料电池运行状态，从而确定燃料电池协调分配矩阵维数以及燃料电池序列号以便控制燃料电池输出参考功率。
进一步的是，所述燃料电池阵列包括多个单体燃料电池系统级联单向DC/DC变换器构成，通过与母线并联的方式输送能量，可适用于多套不同的燃料电池灵活编组模块化操作无需开发大功率燃料电池系统降低了开发成本和维护成本。
进一步的是，所述步骤S200中所述燃料电池单位时间能耗与系统输出功率之间的曲线关系式为：
第i个燃料电池系统的效率计及燃料电池系统效率为ηFCi，且有下式：
Figure BDA0003165543650000021
其中，QFCi为第i个燃料电池系统的单位时间能耗值，且有下式：
QFCi＝aiPFCi 2+biPFCi+ci；
式中，PFCi代表第i个燃料电池系统的输出功率值，ai、bi以及ci分别代表第i个燃料电池系统的待辨识的运行参数。
进一步的是，本方法基于燃料电池运行实验，并基于燃料电池单位时间能耗与燃料电池净输出功率的经验公式进行能耗-功率曲线的在线实时估计。对于料电池系统的待辨识的运行参数ai、bi以及ci，获取方式包括步骤：
(1)对燃料电池系统进行测试实验，获得燃料电池的实时单位时间能耗值和实时输出功率值；
(2)依据最小二乘原则，令函数QFC与待辨识数据之间残差平方和最小，即
Figure BDA0003165543650000022
其中N为数据点个数；
(3)采用基于核偏缩减的迭代求解依据最小二乘原则实时辨识燃料电池运行参数ai、bi以及ci具体为：
对于系统：yi＝f(xi,ui)；
其中，yi为第i个燃料电池实时单位时间能耗测量值；xi为第i个燃料电池实时输出功率；ui为第i个燃料电池的待辨识参数：
Figure BDA0003165543650000031
都有：
ui(k+1)＝ui(k)+PCT(CPCT+RT)e(ui(k))；
其中，C为观测矩阵；R为测量噪声协方差矩阵，是一个常数矩阵；P为误差方差矩阵；e为残差。
进一步的是，在所述步骤S300中，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，采用迭代法逐步计算出n维燃料电池阵列下协调功率分配矩阵；采用迭代法求解协调功率分配矩阵具体方法为：
获取燃料电池系统的效率为：
Figure BDA0003165543650000032
其中，ηPFC是燃料电池系统效率，PFCS是燃料电池系统输出功率；
反复迭代计算可得到n套燃料电池系统中每个燃料电池参考输出功率Pref以及协调功率分配矩阵M和V，获得公式为：
Figure BDA0003165543650000041
其中，[m1，m2…mn]为协调功率分配矩阵M，[v1，v2…vn]为协调功率分配矩阵V，[P1,P2…Pn]为每个燃料电池的参考输出功率Pref。
进一步的是，在所述步骤S300中，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而实现对燃料电池的排序变量；
对燃料电池性能差异排序变量Rlabel进行求解表达式为：
Pmax＝mi*Rlabel+vi；
mi是协调功率分配矩阵M中对应参数值，vi是协调功率分配矩阵V中对应参数值，Pmax是燃料电池最大输出功率；
在排序过程中，若第i套燃料电池的Rlabel_i值越小，表示该电堆性能越好说明该电堆会先到达最大输出功率Pmax；因此，根据每个燃料电池性能好坏进行轮换排序，保持燃料电池输出依照自身性能好坏由高到低依次出力并逐渐达到最大功率输出。
进一步的是，在所述步骤S300中，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而实现对燃料电池的切换点功率；通过协调功率分配矩阵M、V和燃料电池最大输出功率Pmax确定出系统切换点功率Pend，即燃料电池阵列在第i个燃料电池达到最大输出功率限制时，系统刚好满足负载需求功率值；切换点功率Pend计算式为：
Figure BDA0003165543650000051
其中，Pend_i表示i个燃料电池达到额定功率时系统的切换点功率。
进一步的是，所述步骤S400中，在确定燃料电池阵列切换点功率后，根据所选择燃料电池阵列维数在可确定出切换点前的电堆全部按照最大功率Pmax输出，其他电堆则按照式计算式输出参考功率。
采用本技术方案的有益效果：
本发明能够使燃料电池阵列在满足负载功率变化需求的情况下保证其系统运行在最大效率点处，且所采用的滚动优化排序还能始终维持燃料电池阵列中所有燃料电池一直由性能从高到低的顺序依次出力并达到其最大输出功率值。本发明基于数学解析法解决了因燃料电池参数不一致时，由于负载需求功率不断变化引起的燃料电池阵列效率较低和电堆老化不一致的问题。
本发明采用了燃料电池阵列架构，可适用于多套不同燃料电池的灵活编组，同时灵活编组与模块化的操作也能显著降低整个系统的运行成本。
本发明采用了基于Reduced Kernel Partial算法，利用实时检测数据在线拟合与燃料电池能耗相关的运行参数，可适应燃料电池随环境的改变而引起的系统参数变化从而造成的系统效率大范围变化问题，降低系统氢耗量，节约了运行成本。
本发明采用了循环迭代求解的方法对燃料电池阵列最大效率运行做了数学推导和计算保证了系统在不同数量的电堆启动条件下均能维持在系统最大效率点处运行的目的，优化了系统整体实时运行效率，降低了系统能耗。
本发明采用了滚动排序的优化方法，保证了燃料电池阵列中所有运行中的燃料电池始终按照性能由高到低的顺序出力，降低了性能较差电堆的运行压力延长了燃料电池阵列服务时长，提升了供电可靠性。
附图说明
图1为本发明的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法流程示意图；
图2为本发明实施例中通过计算协调功率分配矩阵燃料电池排序变量和切换点功率的流程示意图；
图3为本发明实施例中燃料电池功率分配的流程示意图。
图4为本发明实施例中燃料电池阵列的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，参见图1所示，本发明提出了一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，包括步骤：
S100，采集燃料电池阵列中每个燃料电池输出端的电压和电流信号，采集燃料电池阵列中每个变换器输出端的电压和电流信号，采集负载侧电压和电流信号计算需求功率；
S200，通过采集得到的电压电流信号计算每组燃料电池系统输出功率，以及每组燃料电池单位时间内消耗氢气产生的热量，在线拟合单位时间能耗与每组燃料电池系统输出功率之间的能耗功率曲线关系式；
S300，设定每个燃料电池最大输出功率Pmax，设定每个燃料电池系统切换点功率Pend_i，设定燃料电池性能差异排序变量Rlabel，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，计算每个燃料电池参考输出功率Pref；通过计算协调功率分配矩阵燃料电池排序变量和切换点功率；
S400，确定燃料电池阵列中各燃料电池运行状态，从而确定燃料电池协调分配矩阵维数以及燃料电池序列号以便控制燃料电池输出参考功率。
作为上述实施方案的优化方案，一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，包括步骤：
S100，采集燃料电池阵列中每个燃料电池输出端的电压和电流信号，采集燃料电池阵列中每个变换器输出端的电压和电流信号，采集负载侧电压和电流信号计算需求功率；
如图4所示，所述燃料电池阵列包括多个单体燃料电池系统级联单向DC/DC变换器构成，通过与母线并联的方式输送能量，可适用于多套不同的燃料电池灵活编组模块化操作无需开发大功率燃料电池系统降低了开发成本和维护成本。
S200，通过采集得到的电压电流信号计算每组燃料电池系统输出功率，以及每组燃料电池单位时间内消耗氢气产生的热量，在线拟合单位时间能耗与每组燃料电池系统输出功率之间的能耗功率曲线关系式；
所述步骤S200中所述燃料电池单位时间能耗与系统输出功率之间的曲线关系式为：
第i个燃料电池系统的效率计及燃料电池系统效率为ηFCi，且有下式：
Figure BDA0003165543650000071
其中，QFCi为第i个燃料电池系统的单位时间能耗值，且有下式：
QFCi＝aiPFCi 2+biPFCi+ci；
式中，PFCi代表第i个燃料电池系统的输出功率值，ai、bi以及ci分别代表第i个燃料电池系统的待辨识的运行参数。
本方法基于燃料电池运行实验，并基于燃料电池单位时间能耗与燃料电池净输出功率的经验公式进行能耗-功率曲线的在线实时估计。对于料电池系统的待辨识的运行参数ai、bi以及ci，获取方式包括步骤：
(1)对燃料电池系统进行测试实验，获得燃料电池的实时单位时间能耗值和实时输出功率值；
(2)依据最小二乘原则，令函数QFC与待辨识数据之间残差平方和最小，即
Figure BDA0003165543650000072
其中N为数据点个数；
(3)采用基于核偏缩减的迭代求解依据最小二乘原则实时辨识燃料电池运行参数ai、bi以及ci具体为：
对于系统：yi＝f(xi,ui)；
其中，yi为第i个燃料电池实时单位时间能耗测量值；xi为第i个燃料电池实时输出功率；ui为第i个燃料电池的待辨识参数：
Figure BDA0003165543650000073
都有：
ui(k+1)＝ui(k)+PCT(CPCT+RT)e(ui(k))；
其中，C为观测矩阵；R为测量噪声协方差矩阵，是一个常数矩阵；P为误差方差矩阵；e为残差。
S300，设定每个燃料电池最大输出功率Pmax，设定每个燃料电池系统切换点功率Pend_i，设定燃料电池性能差异排序变量Rlabel，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，计算每个燃料电池参考输出功率Pref；通过计算协调功率分配矩阵燃料电池排序变量和切换点功率；
在所述步骤S300中，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，采用迭代法逐步计算出n维燃料电池阵列下协调功率分配矩阵；采用迭代法求解协调功率分配矩阵具体方法为：
获取燃料电池系统的效率为：
Figure BDA0003165543650000081
其中，ηPFC是燃料电池系统效率，PFCS是燃料电池系统输出功率；
反复迭代计算可得到n套燃料电池系统中每个燃料电池参考输出功率Pref以及协调功率分配矩阵M和V，获得公式为：
Figure BDA0003165543650000082
其中，[m1，m2…mn]为协调功率分配矩阵M，[v1，v2…vn]为协调功率分配矩阵V，[P1,P2…Pn]为每个燃料电池的参考输出功率Pref。
在所述步骤S300中，如图2所示，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而实现对燃料电池的排序变量；
对燃料电池性能差异排序变量Rlabel进行求解表达式为：
Pmax＝mi*Rlabel+vi；
mi是协调功率分配矩阵M中对应参数值，vi是协调功率分配矩阵V中对应参数值，Pmax是燃料电池最大输出功率；
在排序过程中，若第i套燃料电池的Rlabel_i值越小，表示该电堆性能越好说明该电堆会先到达最大输出功率Pmax；因此，根据每个燃料电池性能好坏进行轮换排序，保持燃料电池输出依照自身性能好坏由高到低依次出力并逐渐达到最大功率输出。
在所述步骤S300中，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而实现对燃料电池的切换点功率；通过协调功率分配矩阵M、V和燃料电池最大输出功率Pmax确定出系统切换点功率Pend，即燃料电池阵列在第i个燃料电池达到最大输出功率限制时，系统刚好满足负载需求功率值；切换点功率Pend计算式为：
Figure BDA0003165543650000091
其中，Pend_i表示i个燃料电池达到额定功率时系统的切换点功率。
S400，确定燃料电池阵列中各燃料电池运行状态，从而确定燃料电池协调分配矩阵维数以及燃料电池序列号以便控制燃料电池输出参考功率。
如图3所示，所述步骤S400中，在确定燃料电池阵列切换点功率后，根据所选择燃料电池阵列维数在可确定出切换点前的电堆全部按照最大功率Pmax输出，其他电堆则按照式计算式输出参考功率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，包括步骤：
S100，采集燃料电池阵列中每个燃料电池输出端的电压和电流信号，采集燃料电池阵列中每个变换器输出端的电压和电流信号，采集负载侧电压和电流信号计算需求功率；
S200，通过采集得到的电压电流信号计算每组燃料电池系统输出功率，以及每组燃料电池单位时间内消耗氢气产生的热量，在线拟合单位时间能耗与每组燃料电池系统输出功率之间的能耗功率曲线关系式；
S300，设定每个燃料电池最大输出功率Pmax，设定每个燃料电池系统切换点功率Pend_i，设定燃料电池性能差异排序变量Rlabel，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，计算每个燃料电池参考输出功率Pref；通过计算协调功率分配矩阵燃料电池排序变量和切换点功率；
S400，确定燃料电池阵列中各燃料电池运行状态，从而确定燃料电池协调分配矩阵维数以及燃料电池序列号以便控制燃料电池输出参考功率。
2.根据权利要求1所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，所述燃料电池阵列包括多个单体燃料电池系统级联单向DC/DC变换器构成，通过与母线并联的方式输送能量。
3.根据权利要求1所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，所述步骤S200中所述燃料电池单位时间能耗与系统输出功率之间的曲线关系式为：
第i个燃料电池系统的效率为ηFCi，且有下式：
Figure FDA0003926274720000011
其中，QFCi为第i个燃料电池系统的单位时间能耗值，且有下式：
QFCi＝aiPFCi 2+biPFCi+ci；
式中，PFCi代表第i个燃料电池系统的输出功率值，ai、bi以及ci分别代表第i个燃料电池系统的待辨识的运行参数。
4.根据权利要求3所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，对于料电池系统的待辨识的运行参数ai、bi以及ci，获取方式包括步骤：
(1)对燃料电池系统进行测试实验，获得燃料电池的实时单位时间能耗值和实时输出功率值；
(2)依据最小二乘原则，令函数QFCi与待辨识数据之间残差平方和最小，即
Figure FDA0003926274720000021
其中N为数据点个数；
(3)采用基于核偏缩减的迭代求解依据最小二乘原则实时辨识燃料电池运行参数ai、bi以及ci具体为：
对于系统：yi＝f(xi,ui)；
其中，yi为第i个燃料电池实时单位时间能耗测量值；xi为第i个燃料电池实时输出功率；ui为第i个燃料电池的待辨识参数：
Figure FDA0003926274720000022
都有：
ui(k+1)＝ui(k)+PCT(CPCT+RT)e(ui(k))；
其中，C为观测矩阵；R为测量噪声协方差矩阵，是一个常数矩阵；P为误差方差矩阵；e为残差。
5.根据权利要求4所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S300中，计算燃料电池阵列中协调功率分配矩阵M和V，采用迭代法逐步计算出n维燃料电池阵列下协调功率分配矩阵；采用迭代法求解协调功率分配矩阵具体方法为：
获取燃料电池系统的效率为：
Figure FDA0003926274720000023
其中，ηPFC是燃料电池系统效率，PFCS是燃料电池系统输出功率；
反复迭代计算可得到n套燃料电池系统中每个燃料电池参考输出功率Pref以及协调功率分配矩阵M和V，获得公式为：
Figure FDA0003926274720000031
其中，[m1，m2…mn]为协调功率分配矩阵M，[v1，v2…vn]为协调功率分配矩阵V，[P1,P2…Pn]为每个燃料电池的参考输出功率Pref。
6.根据权利要求5所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S300中，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而实现对燃料电池的排序变量；
对燃料电池性能差异排序变量Rlabel进行求解表达式为：
Pmax＝mi*Rlabel+vi；
mi是协调功率分配矩阵M中对应参数值，vi是协调功率分配矩阵V中对应参数值，Pmax是燃料电池最大输出功率；
在排序过程中，若第i套燃料电池的Rlabel_i值越小，表示第i套燃料电池性能越好说明第i套燃料电池会先到达最大输出功率Pmax；因此，根据每个燃料电池性能好坏进行轮换排序，保持燃料电池输出依照自身性能好坏由高到低依次出力并逐渐达到最大功率输出。
7.根据权利要求6所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，在所述步骤S300中，通过协调功率分配矩阵确定每个燃料电池的性能好坏从而确定燃料电池的切换点功率；通过协调功率分配矩阵M、V和燃料电池最大输出功率Pmax确定出系统切换点功率Pend，即燃料电池阵列在第i个燃料电池达到最大输出功率限制时，系统刚好满足负载需求功率值；切换点功率Pend计算式为：
Figure FDA0003926274720000041
其中，Pend_i表示i个燃料电池达到额定功率时系统的切换点功率。
8.根据权利要求1所述的一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法，其特征在于，所述步骤S400中，在确定燃料电池阵列切换点功率后，根据所选择燃料电池阵列维数在可确定出切换点前的电堆全部按照最大功率Pmax输出，其他燃料电池则按照式计算式输出参考功率。
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