CN114079284B - 计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，包括采用寻优算法对优化模型进行遍历求解，根据结果构造功率优化分配集合，对多电堆系统中各电堆间输出功率优化分配，实现多电堆发电系统的效率优化运行，解决了现有技术中氢燃料电池成本高，发电效率低的问题。

Description

计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控 制方法

技术领域

本发明属于电力技术领域，涉及一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法。

背景技术

随着人类社会的发展，石油、天然气等不可再生能源储备量迅速缩减与电能需求迅速增加间矛盾日益突出，发展清洁、高效电能生产成为一种必然趋势。氢燃料电池具有无污染、高效率等优势，是未来电能生产装置的最佳选择。但是，单堆氢燃料电池输出功率较低，无法满足大功率场景下的应用需求。目前，研究人员通常将多个单堆氢燃料电池通过串并联形式构造多堆氢燃料电池分布式发电系统，从而满足大功率场景下的应用需求。由于目前氢能成本仍然较高，提升多堆氢燃料电池发电系统效率、降低系统成本是当前亟待解决的问题。

多堆氢燃料电池分布式发电系统通常采用单堆电池功率均分或逐级分配控制方法。现有控制方法虽然可有效实现燃料电池输出功率控制，但现有控制方法并未考虑氢燃料电池、变换器、辅助设备等本体损耗与效率特性，导致多堆氢燃料电池发电系统整体效率偏低，进一步增加了系统能源损耗量与运行成本。因此，如何在考虑多堆氢燃料电池分布式发电系统中各类设备运行特性基础上，设计一种可降低多堆氢燃料系统能耗的效率能量管理与优化控制方法对未来氢燃料电池系统发展具有重要意义与借鉴价值。

发明内容

为实现上述目的，本发明提供了一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，解决了现有技术中氢燃料电池成本高，发电效率低的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是，一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，包括以下步骤：

S1：向控制系统中输入各电堆参数；

S2：电堆建模：根据输入的各电堆参数进行各电堆数学建模，并计算各电堆输出效率η_Fci，其中，i＝1,2…n，n为各电堆序号；

S3：向控制系统输入DC/DC变换器效率参数：根据DC/DC变换器设备参数表，将DC/DC变换器的输出效率与输出功率参数输入控制系统中，并对DC/DC变换器输出效率与输出功率进行多项式拟合，得到DC/DC变换器输出效率特性曲线η_Bi；

S4：确定多电堆燃料电池系统整体输出功率范围：计算各电堆发电效率η_Si，得到各电堆发电效率η_Si与输出功率P_oi之间的关系曲线，其中各电堆输出功率P_oi根据各电堆数学模型与电堆参数得到；并根据各电堆数学模型确定多堆燃料电池系统最大输出功率P_{out_max}，得到的多堆燃料电池系统输出功率范围的正整数集合：P_{out_S}＝{0,1,2…P_{out_max}}；

S5：确定多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合；

S6：检测多堆燃料电池系统当前运行状态参数：控制系统检测多堆燃料电池系统当前的负荷功率P_load并取整、各电堆输出电压V_FCi、各电堆输出电流I_FCi，令多堆燃料电池系统当前所需输出的总功率P_out＝P_load；

S7：输出各电堆最佳调控指令：控制系统将多堆燃料电池系统当前所需输出总功率P_out输入步骤S5中得到的最优分配功率指令的映射集合，得到当前各电堆最优分配功率指令P_oi ^*并将功率指令信号P_oi ^*发送给各电堆实现电堆输出功率控制，最后返回步骤S6以开始下一轮控制。

进一步地，所述S1中各电堆参数包括单片电池参数、电堆中电池串联片数、辅助设备额定功耗；所述单片电池参数包括电池面积、膜厚度、运行温度。

进一步地，所述S2中各电堆输出效率η_Fci根据单堆输出效率η_FC计算得出，所述单堆输出效率η_FC计算公式为：

η_FC＝η_stack×η_E (3)

其中，η_FC为单堆输出效率，η_stack为单堆燃料电池本体效率，η_E为单堆燃料电池辅助设备效率。

进一步地，所述S3中DC/DC变换器输出效率特性曲线η_Bi根据以下拟合公式计算后得到：

η_B＝p₁P_o ⁶+p₂P_o ⁵+p₃P_o ⁴+p₄P_o ³+p₅P_o ²+p₆P_o+p₇ (4)

式中，p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇为拟合参数，P_o为DC/DC变换器输出功率，η_B为DC/DC变换器输出效率。

进一步地，所述S4中各电堆发电效率η_Si根据单堆系统发电效率η_S表达式计算得出，所述单堆系统发电效率η_S表达式为：

进一步地，所述步骤S5中，确定多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合的方法为：

以多堆燃料电池系统整体效率η_out最大为目标函数：

设定多堆燃料电池系统约束条件：

式中，P_{oi_max}为各电堆最大输出功率；I_{FCi_max}为各电堆最大输出电流；

将P_{out_S}带入式(6)，对所有P_{out_S}集合内的目标函数P_out依次进行求解，得到多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合：

P_out＝{P_o1 ^*,P_o2 ^*...P_oi ^*}，i＝1,2...n (8)

本发明的有益效果是：本发明所述的一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法为多堆燃料电池系统构造与控制提供有益参考与借鉴。本发明的计及燃料电池分布式发电系统采用并联型结构，实现了各电堆独立控制，增加了系统稳定运行能力。系统运行时可通过本发明所提优化控制方法对所需输出总功率进行优化分配，确保系统各个电堆工作于最佳运行状态，有效提高系统整体效率，减少系统损耗，降低运行成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是多堆氢燃料电池发电系统典型拓扑结构图；

图2是本发明多堆氢燃料电池发电系统结构示意图；

图3是单堆PEMFC输出特性曲线图；

图4是单堆PEMFC系统输出效率曲线；

图5是耦合电感交错并联DC/DC变换器结构；

图6是耦合电感交错并联DC/DC变换器输出效率特性曲线；

图7是多堆氢燃料电池发电系统传统控制方法；

图8是功率均分与逐级分配控制下系统效率特性曲线；

图9是本发明实施例的多电堆发电系统能量管理与优化控制方法流程图；

图10是本发明实施例的不同控制方法下变换器输出功率特性曲线；

图11是本发明实施例的不同控制方法下系统效率曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对传统多堆燃料电池发电系统控制方法无法实现系统效率最优控制的问题，本发明在充分考虑氢燃料电池系统电堆本体效率曲线、辅助设备损耗、DC/DC变换器的基础上，提出了一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法。

多堆质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)发电系统相比于单堆PEMFC发电系统可提供更高的输出功率，系统可靠性更高。图1为多堆PEMFC发电系统典型拓扑结构。其中，DC Bus表示直流母线；PEMFC stack表示质子交换膜燃料电池电堆；图1中，(a)为串联型结构，多堆PEMFC串联可有效提高电池侧电压与系统功率，使得燃料电池侧串联电压与直流母线电压相匹配。串联型结构虽简单易操作，但每个电堆无法独立控制，且某个电堆发生故障会导致整个系统无法工作。(b)为级联型结构，将DC/DC变换器母线侧进行串联可有效降低变换器母线侧电压，使单堆燃料电池与母线侧电压相匹配，但该种结构会导致每个电堆间存在功率耦合。(c)为并联型结构，每个电堆通过一个DC/DC变换器连接到直流母线，该结构可实现每个电堆的独立控制，提升系统的稳定性可靠性。因此，本发明采用多电堆并联型系统结构并对其增加控制系统，具体见图2，可以实现每个燃料电池堆独立控制，提高系统功率等级与供电可靠性，为多电堆优化控制实施提供保障。

下面对本发明方法进行详细说明：

1.多堆PEMFC发电系统设备特性

(1)单堆PEMFC系统效率曲线

本发明对ElectroChem公司推出的35片串联PEMFC电堆参数进行分析，根据PEMFC数学模型得到了单堆PEMFC输出特性曲线，具体如图3所示。

根据PEMFC数学模型，可以得到单堆燃料电池本体效率η_stack：

式中，μ_f为燃料利用率，一般为99％-100％，在此取99％；V_FC为单堆燃料电池输出电压；E_Nernst为热动力电动势；I_FC为单堆燃料电池输出电流。考虑单堆燃料电池实际运行中压缩器等辅助设备会产生一定损耗，则单堆燃料电池辅助设备效率η_E为：

式中，P_stcak为单堆电池本体输出功率；P_FC为单堆输出功率；P_aux为电堆辅助设备消耗功率，与运行负载近似无关，在此P_aux取常数70W。则单堆输出效率η_FC为：

η_FC＝η_stack×η_E (3)

根据式(3)可得单堆输出功率P_FC与单堆输出效率η_FC特性曲线，见图4。由图4可知，单堆PEMFC的输出功率与效率间存在非比例关系。

(2)DC/DC变换器效率曲线

如图1中的(c)所示，PEMFC电堆系统通过DC/DC变换器与直流母线相连，本发明采用耦合电感交错并联DC/DC变换器，该变换器拓扑结构如图5所示，图5中，U_i表示输入电压(电堆侧)；U_o表示输出侧电压(直流母线侧)。对耦合电感交错并联DC/DC变换器输出功率P_o与输出效率η_B之间的测试数据(测试数据可通过功率分析仪测试得到)进行6次多项式拟合：

η_B＝p₁P_o ⁶+p₂P_o ⁵+p₃P_o ⁴+p₄P_o ³+p₅P_o ²+p₆P_o+p₇ (4)

式中，p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇为拟合参数。通过式(4)可得DC/DC变换器输出效率特性曲线如图6所示，从图6中可知，多项式拟合曲线与测试数据拟合程度较高，可准确表示DC/DC变换器效率特性。

通过上式(3)、(4)可得单堆系统发电效率η_S表达式：

η_S＝η_FC×η_B (5)

2.多堆PEMFC系统能量管理与优化控制方法

通过上述分析可知，单电堆系统效率与输出功率密切相关，随着输出功率增加，系统效率先上升后下降。因此，当多堆PEMFC系统所需输出功率P_out确定时，采用合理的电堆系统功率分配方法(如功率较低时仅令单个电堆输出功率P_o1＝P_out，其余电堆输出功率为0)，可以实现多电堆系统整体效率优化。对此，本发明提出了一种多电堆系统能量管理与优化控制方法，采用寻优算法对优化模型进行求解，根据结果构造功率优化分配集合，对多电堆系统中各电堆间输出功率优化分配，实现多电堆发电系统的效率优化运行。

传统多堆PEMFC发电系统功率分配控制方法主要有以下两种：功率均分控制与逐级分配控制方法，如图7所示。

功率均分控制方法是指投运电堆数恒定，将所需求总功率平均分配至每个电堆PEMFC系统中。图7中，(a)为功率均分控制方法，图中P_tot表示负荷所需总功率，P_tot通过均分系数k_d(k_d＝1/n，n为电堆数)得到单堆所需输出参考功率P_refi(i＝1，2，3...n)，P_refi通过与测量的各电堆电压值V_FCi计算得到参考电流值I_FCi，最后将参考电流输入至DC/DC变换器控制器。

逐级分配控制方法是指将每个电堆逐级投运，前一级电堆工作至其最大输出功率后再启动下一级电堆，以此类推。图7(b)为逐级分配控制方法，负荷所需总功率P_tot>P_max，当P_ref1达到最大输出功率P_max时P_ref2启动；若P_tot>2P_max，当P_ref2达到最大输出功率P_max时P_ref3启动，依次类推直至输出功率之和满足P_tot。

图8为功率均分与逐级分配控制下系统整体效率特性曲线。从图8可知，在低功率阶段，逐级分配控制方法下系统效率高于功率均分控制方法；然而在高功率阶段，功率均分控制方法下系统效率又明显高于逐级分配控制方法。两种传统控制方法虽然可以有效控制电堆输出功率满足负荷功率需求，但两种传统控制方法均无法实现多堆燃料电池系统全功率范围下的高效运行，这是由于传统控制方法未考虑燃料电池本体、电堆辅助设备与直流变换器的本体输出特性而导致的。因此，传统控制方法下的多堆氢燃料电池系统整体输出效率有待进一步优化。对此，本发明提出了一种针对多电堆系统的优化控制方法，具体流程如图9所示，具体过程如下：

S1：向控制系统中输入各电堆参数：包括单片电池参数(电池面积、膜厚度、运行温度等)、电堆中电池串联片数、辅助设备额定功耗等；

S2：电堆建模：根据输入的各电堆参数进行各电堆数学建模(PEMFC数学模型)，并根据公式(3)计算各电堆输出效率η_FCi(i＝1,2…n，n为各电堆序号)；

S3：向控制系统输入DC/DC变换器效率参数：根据DC/DC变换器设备参数表，将DC/DC变换器的输出效率与输出功率参数输入控制系统中，并根据式(4)对DC/DC变换器输出效率与输出功率进行多项式拟合，得到DC/DC变换器输出效率特性曲线η_Bi；

S4：确定多电堆燃料电池系统整体输出功率范围：根据式(5)计算各电堆发电效率η_Si，得到各电堆发电效率η_Si与输出功率P_oi之间的关系曲线，其中各电堆输出功率P_oi根据各电堆数学模型与电堆参数得到；并根据各电堆数学模型确定多堆燃料电池系统最大输出功率P_{out_max}，得到的多堆燃料电池系统输出功率范围的正整数集合：P_{out_S}＝{0,1,2…P_{out_max}}；

S5：确定多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合：以多堆燃料电池系统整体效率η_out最大为目标函数：

式中，P_out为多堆燃料电池系统所需输出总功率；

设定多堆燃料电池系统约束条件：

式中，P_{oi_max}为各电堆最大输出功率；I_{FCi_max}为各电堆最大输出电流。

将P_{out_S}带入式(6)，对所有P_{out_S}集合内的目标函数P_out依次进行求解，得到多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合：

P_out＝{P_o1 ^*,P_o2 ^*...P_oi ^*}，i＝1,2...n (8)

S6：检测多堆燃料电池系统当前运行状态参数：控制系统检测多堆燃料电池系统当前的负荷功率P_load并取整、各电堆输出电压V_FCi、各电堆输出电流I_FCi，令多堆燃料电池系统当前所需输出的总功率P_out＝P_load。

S7：输出各电堆最佳调控指令：控制系统将多堆燃料电池系统当前所需输出总功率P_out输入步骤S5中得到的最优分配功率指令的映射集合，得到当前各电堆最优分配功率指令P_oi ^*并将功率指令信号P_oi ^*发送给各电堆实现电堆输出功率控制，最后返回步骤S6以开始下一轮控制。

3.多堆PEMFC系统优化控制方法算例分析

为了验证本发明方法的有效性与优越性，本发明以三堆PEMFC发电系统为例进行算例分析，系统结构图如图2所示。算例系统参数如下表所示：

表1系统组成元素功率参数

系统中负荷最大功率2700W；单堆PEMFC最大输出功率1000W(由于存在辅助设备与变换器损耗，其实际最大输出功率为900W)。根据单堆特性分析，系统整体效率η_out计算公式为：

系统正常运行情况下多堆燃料电池输出功率P_out与负荷功率P_load一致。令系统负荷功率P_load从0W增加至2700W。此时，采用多堆燃料电池功率均分方法与逐级启动方法时电堆1、2、3的输出功率分别如图10中的(a)与(b)所示。而采用本文优化分配方法时电堆1、2、3输出功率如图10中的(c)所示。

由图10可知，采用传统功率均分方法时各电堆输出功率时刻保持一致；采用逐级启动方法时伴随负荷功率不断增加，燃料电池1的输出功率先增加至最大值900W，此时燃料电池2开始启动，输出功率增加至最大值900W；最后燃料电池3开始启动，输出功率增加至最大值900W；采用本文优化分配方法时，当电堆输出总功率P_FCO<500W时，仅由电堆1对负荷供电；当输出总功率500W<P_FCO<850W时，由电堆1、2共同为负荷供电；当输出总功率850W<P_FCO<2700W时，由电堆1、2、3共同为负荷供电。

根据各电堆输出功率值P_oi与公式(5)可计算各电堆效率曲线η_oi，并根据式(9)计算出不同输出功率下系统整体效率η_out。不同分配方法下系统整体效率如图11所示。

由图11中的(a)和(b)可知，功率均分方法在多堆燃料电池系统低功率运行时，其系统整体效率较低；逐级启动方法在多堆燃料电池系统高功率运行时，其系统整体效率较低；两种传统逻辑功率分配方法均存在一定缺陷，难以实现多堆燃料电池系统全功率范围下的高效运行。而本发明所述的优化控制方法可有效提高多堆燃料电池系统全功率范围的系统整体输出效率，实现系统全功率范围内的效率优化，降低了多堆燃料电池系统的损耗与运行成本。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：向控制系统中输入各电堆参数；

S2：电堆建模：根据输入的各电堆参数进行各电堆数学建模，并计算各电堆输出效率η_Fci，其中，i＝1,2…n，n为各电堆序号；

S3：向控制系统输入DC/DC变换器效率参数：根据DC/DC变换器设备参数表，将DC/DC变换器的输出效率与输出功率参数输入控制系统中，并对DC/DC变换器的输出效率与输出功率进行多项式拟合后，得到DC/DC变换器输出效率特性曲线η_Bi；

S4：确定多电堆燃料电池系统整体输出功率范围：计算各电堆发电效率η_Si，得到各电堆发电效率η_Si与输出功率P_oi之间的关系曲线，其中各电堆输出功率P_oi根据各电堆数学模型与电堆参数得到；并根据各电堆数学模型确定多堆燃料电池系统最大输出功率P_{out_max}，得到的多堆燃料电池系统输出功率范围的正整数集合：P_{out_S}＝{0,1,2…P_{out_max}}；

S5：确定多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合；

S6：检测多堆燃料电池系统当前运行状态参数：控制系统检测多堆燃料电池系统当前的负荷功率P_load并取整、各电堆输出电压V_FCi、各电堆输出电流I_FCi，令多堆燃料电池系统当前所需输出的总功率P_out＝P_load；

S7：输出各电堆最佳调控指令：控制系统将多堆燃料电池系统当前所需输出总功率P_out输入步骤S5中得到的最优分配功率指令的映射集合，得到当前各电堆最优分配功率指令P_oi ^*并将功率指令信号P_oi ^*发送给各电堆实现电堆输出功率控制，最后返回步骤S6以开始下一轮控制。

2.根据权利要求1所述的计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，所述S1中各电堆参数包括单片电池参数、电堆中电池串联片数、辅助设备额定功耗；所述单片电池参数包括电池面积、膜厚度、运行温度。

3.根据权利要求1所述的计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，所述S2中各电堆输出效率η_Fci根据单堆输出效率η_FC计算得出，所述单堆输出效率η_FC计算公式为：

η_FC＝η_stack×η_E (3)

其中，η_FC为单堆输出效率，η_stack为单堆燃料电池本体效率，η_E为单堆燃料电池辅助设备效率。

4.根据权利要求1所述的计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，所述S3中DC/DC变换器输出效率特性曲线η_Bi根据以下拟合公式计算后得到：

η_B＝p₁P_o ⁶+p₂P_o ⁵+p₃P_o ⁴+p₄P_o ³+p₅P_o ²+p₆P_o+p₇ (4)

式中，p₁、p₂、p₃、p₄、p₅、p₆、p₇为拟合参数，P_o为DC/DC变换器输出功率，η_B为DC/DC变换器输出效率。

5.根据权利要求1所述的计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，所述S4中各电堆发电效率η_Si根据单堆系统发电效率η_S表达式计算得出，所述单堆系统发电效率η_S表达式为：

η_S＝η_FC×η_B (5)

其中，η_FC为单堆输出效率，η_B为DC/DC变换器输出效率。

6.根据权利要求1所述的计及燃料电池效率特性的分布式发电系统能量管理与优化控制方法，其特征在于，所述步骤S5中，确定多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合的方法为：

以多堆燃料电池系统整体效率η_out最大为目标函数：

设定多堆燃料电池系统约束条件：

式中，P_{oi_max}为各电堆最大输出功率；I_{FCi_max}为各电堆最大输出电流；

将P_{out_S}带入式(6)，对所有P_{out_S}集合内的目标函数P_out依次进行求解，得到多堆燃料电池系统输出总功率P_out与各堆最优分配功率指令P_oi ^*的映射集合：

P_out＝{P_o1 ^*,P_o2 ^*...P_oi ^*}，i＝1,2...n (8)。