CN114759232A - 一种燃料电池电源系统及其能量控制方法 - Google Patents

一种燃料电池电源系统及其能量控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种燃料电池电源系统及其能量控制方法，所述燃料电池电源系统包括燃料电池模块、锂电池模块、直流变换模块、直流输出模块、交流输出模块，所述直流变换模块包括DC/DC变换器单元和能量管理控制单元，其中：所述直流输出模块、所述交流输出模块通过直流母线与所述直流变换模块电连接，所述DC/DC变换器单元分别与所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块电连接，所述能量管理控制单元电连接至所述DC/DC变换器单元，同时电连接至所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块。本发明电路结构紧凑，使系统高效、长寿命运行，并且能够实现在系统各个部分间基本无通信的情况下的动态功率分配，保障了系统的全局稳定性。

Description

一种燃料电池电源系统及其能量控制方法
技术领域
本发明燃料电池电源技术领域，尤其涉及一种燃料电池电源系统及其能量控制方法。
背景技术
作为新兴的清洁能源，燃料电池具有能量密度高、转换效率高和环境友好等优点，具有非常广阔的应用前景。近些年来，以燃料电池和辅助电池组成的燃料电池电源系统成为了研究热点，对于燃料电池电源系统来说，能量管理策略是保证系统安全可靠、高效、长寿命运行的基础，对促进燃料电池电源系统的应用具有重要价值。现有的燃料电池混合电源系统的能量管理策略主要以集中式的能量管理策略为主，即应用一个中央控制器作为能量管理单元，基于检测的负载电流或母线电压通过能量管理策略来计算出燃料电池模块和混合的其它电源模块的参考输出功率，通过通信网络将计算结果发送到系统各个电源模块的控制器，然后各电源模块的控制器对获得的参考功率作出响应，以此达到能量管理的目标。这种集中式的能量管理策略十分有效，但当整个系统中某一点出现故障，如通信失败或是任一控制器故障，都会导致整个电源系统失效，无法保证电源系统的可靠性。因此，需要一个合理且高效的能量管理策略来解决这一问题，提高系统的稳定性和鲁棒性。因此，如何对燃料电池电源系统进行有效的能量管理是亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，有必要提供及一种燃料电池电源系统及其能量控制方法，用以克服现有技术中燃料电池电源系统能量管理可靠性低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种燃料电池电源系统，包括燃料电池模块、锂电池模块、直流变换模块、直流输出模块、交流输出模块，其中：所述直流输出模块、所述交流输出模块通过直流母线与所述直流变换模块电连接，所述直流变换模块包括DC/DC变换器单元和能量管理控制单元，所述DC/DC变换器单元分别与所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块电连接，所述能量管理控制单元电连接至所述DC/DC变换器单元，同时电连接至所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块。
进一步地，所述燃料电池模块包括第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元，所述DC/DC变换器单元包括第一单向DC/DC变换器、第二单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，其中：
所述第一燃烧电池单元的输出端与所述第一单向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述第二燃烧电池单元的输出端与所述第二单向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述锂电池模块与所述双向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述第一单向DC/DC变换器的输出端、所述第二单向DC/DC变换器的输出端和所述双向DC/DC变换器的输出端分别与所述直流母线电连接。
进一步地，所述能量管理控制单元包括第一能量控制器和第二能量控制器，其中：所述第一单向DC/DC变换器、所述第二单向DC/DC变换器和所述第一燃烧电池单元同时电连接至所述第一能量控制器，所述锂电池模块、所述双向DC/DC变换器同时电连接至所述第二能量控制器。
进一步地，所述直流输出模块包括至少一路的DC/DC变换器、所述交流输出模块包括至少一路的DC/AC逆变器，所述至少一路的DC/DC变换器的输入端和所述DC/AC逆变器的输入端分别与直流母线电连接，所述至少一路的DC/DC变换器的输出端和所述DC/AC逆变器的输出端分别与用电负载电连接。
本发明提供一种燃料电池电源系统的能量控制方法，应用于如上所述的燃料电池电源系统中的能量管理控制单元，所述能量控制方法包括：
获取DC/DC变换器单元的电路参数、燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数；
根据所述电路参数，确定所述DC/DC变换器单元期望的参考输入功率；
根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配；
根据优化后的参考输入功率，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现对参考输入电流的跟随。
进一步地，所述DC/DC变换器单元包括第一单向DC/DC变换器、第二单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，所述根据所述电路参数，确定所述DC/DC变换器单元期望的参考输入功率，包括：
根据所述第一单向DC/DC变换器、所述第二单向DC/DC变换器和所述双向DC/DC变换器的参考电压和输入电压，以及电压偏差积分、比例下垂系数、饱和下限函数、直流母线的电压额定值，确定所述第一单向DC/DC变换器对应的第一参考输入功率、所述第二单向DC/DC变换器对应的第二参考输入功率、所述双向DC/DC变换器对应的第三参考输入功率；
将所述第一参考输入功率、所述第二参考输入功率和所述第三参考输入功率转化为对应的s域表达式，并通过优化的混合下垂控制算法，计算出期望的第一参考输入功率、期望的第二参考输入功率和期望的第三参考输入功率。
进一步地，所述燃料电池模块包括第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元，所述燃烧电池参数包括所述第一燃烧电池单元的第一燃烧参数和所述第二燃烧电池单元的第二燃烧参数，所述根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配，包括：
根据所述第一燃烧参数和所述第二燃烧参数，对期望的所述第一参考输入功率和期望的所述第二参考输入功率进行重新分配，确定优化后的第一参考输入功率和优化后的第二参考输入功率。
进一步地，所述状态参数包括SOC值；所述根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配，还包括：
根据所述SOC值，将所述锂电池模块分为不同的工作状态；
针对不同的工作状态，根据直流母线的额定值和预设电压调节量，调节所述双向DC/DC变换器对应的参考电压。
进一步地，所述根据优化后的参考输入功率，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现对参考输入电流的跟随，包括：
根据优化后的第一参考输入功率、优化后的第二参考输入功率和所述锂电池模块的第三参考输入功率，分别确定对应的第一参考输入电流、第二参考输入电流和第三参考电流；
根据所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流。
进一步地，所述根据所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，包括：
根据所述DC/DC变换器单元的实际拓扑结构，构建对应的状态空间模型，并进行离散化，得到未来时刻的预测模型；
根据未来时刻的所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，构建所述预测模型对应的价值函数；
求解所述价值函数的最优解，实现实际输入功率对参考输入功率的跟随。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括：在系统中，通过设置燃料电池模块和锂电池，用于传递相关的电池参数（燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数）给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的DC/DC变换器单元，用于传递相关的电路参数给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的能量管理控制单元，根据电池参数和电路参数，优化对DC/DC变换器单元的参考输入功率的分配，并调节DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现有效地电流跟随，使得实际输入功率能够跟随优化后的参考输入功率，达到功率跟随的目的，完成燃料电池电源系统的动态负载功率分配。综上，本发明的电路结构紧凑，使系统高效、长寿命运行，并且能够实现在系统各个部分间基本无通信的情况下的动态功率分配，保障了系统的全局稳定性。
附图说明
图1为本发明提供的燃料电池电源系统一实施例的结构示意图；
图2为本发明提供的燃料电池电源系统一具体实施例的结构示意图；
图3为本发明提供的燃料电池电源系统的能量控制方法一实施例的流程示意图；
图4为本发明提供的图3中步骤S304一实施例的流程示意图；
图5为本发明提供的图4中步骤S402一实施例的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。此外，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
本发明提供了一种燃料电池电源系统及其能量控制方法，利用能量管理控制器控制不同电池对应的DC/DC变换器的功率分配，为进一步提高动态功率分配的高效性提供了新思路。
在实施例描述之前，对相关词语进行释义：
动态功率分配；实现脉动负荷功率在供电单元间优化分配、储能单元荷电状态调节和再生能量回收。在某一供电单元因故障而退出系统后，该策略仍能实现负荷功率在其余供电单元间的动态分配，确保关键负荷的供电；
DC/DC变换器：DC/DC转换器是开关电源芯片，指利用电容、电感的储能的特性，通过可控开关（MOSFET等）进行高频开关的动作，将输入的电能储存在电容（感）里，当开关断开时，电能再释放给负载，提供能量。其输出的功率或电压的能力与占空比（由开关导通时间与整个开关的周期的比值）有关。开关电源可以用于升压和降压；
DC/AC逆变器：把直流电能（电池、蓄电瓶）转变成定频定压或调频调压交流电（一般为220V,50Hz正弦波）的转换器。它由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。
基于上述技术名词的描述，现有技术中，整个系统中某一点出现故障，如通信失败或是任一控制器故障，都会导致整个电源系统失效，无法保证电源系统的可靠性。因而，本发明旨在提出一种高可靠性地进行功率分配的燃料电池电源系统。
以下分别对具体实施例进行详细说明：
本发明实施例提供了一种燃料电池电源系统，结合图1来看，图1为本发明提供的燃料电池电源系统一实施例的结构示意图，包括燃料电池模块101、锂电池模块102、直流变换模块103、直流输出模块104、交流输出模块105，所述直流变换模块包括DC/DC变换器单元1031和能量管理控制单元1032，其中：所述直流输出模块104、所述交流输出模块105通过直流母线106与所述直流变换模块103电连接，所述DC/DC变换器单元1031分别与所述燃料电池模块101和/或所述锂电池模块102电连接，所述能量管理控制单元1032电连接至所述DC/DC变换器单元1031，同时电连接至所述燃料电池模块101和/或所述锂电池模块102。
在本发明实施例中，在系统中，通过设置燃料电池模块和锂电池，用于传递相关的电池参数（燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数）给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的DC/DC变换器单元，用于传递相关的电路参数给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的能量管理控制单元，根据电池参数和电路参数，优化对DC/DC变换器单元的参考输入功率的分配，并调节DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现有效地电流跟随，使得实际输入功率能够跟随优化后的参考输入功率，达到功率跟随的目的，完成燃料电池电源系统的动态负载功率分配。
在本发明一个具体的实施例中，上述系统包括至少两个燃料电池模块、一个锂电池模块、一个直流变换器模块、一个直流输出模块、一个交流输出模块。所述直流变换器模块包括两个单向DC/DC变换器，一个双向DC/DC变换器，两个能量管理控制器。能量管理控制器通过电压、电流传感器分别实时获取单向DC/DC变换器、双向DC/DC变换器的输入电压、电流和输出电压、电流，通过优化的混合下垂控制算法计算出对应DC/DC变换器的实时参考输入功率和输入电流，通过约束模型预测控制使对应的DC/DC变换器的实际输入电流能够快速准确的跟随参考输入电流，从而使其实际输入功率跟随参考输入功率，实现系统负载功率的动态分配，使燃料电池模块和锂电池模块处于合适的功率输出状态。所述直流输出模块至少包括一路DC/DC变换器，交流输出模块至少包括一路DC/AC逆变器，两个模块可根据实际用电负载情况增加DC/DC变换器和DC/AC逆变器，实现多电压等级的多路直流输出和交流输出。该发明结构紧凑，使系统高效、长寿命运行，并且能够实现在系统各个部分间基本无通信的情况下的动态功率分配，保障了系统的全局稳定性。
作为优选的实施例，结合图2来看，图2为本发明提供的燃料电池电源系统一具体实施例的结构示意图，所述燃料电池模块101包括第一燃烧电池单元1011和第二燃烧电池单元1012，所述DC/DC变换器单元1031包括第一单向DC/DC变换器10311、第二单向DC/DC变换器10312和双向DC/DC变换器10313，其中：
所述第一燃烧电池单元1011的输出端与所述第一单向DC/DC变换器10311的输入端电连接；
所述第二燃烧电池单元1012的输出端与所述第二单向DC/DC变换器10312的输入端电连接；
所述锂电池模块102与所述双向DC/DC变换器10313的输入端电连接；
所述第一单向DC/DC变换器10311的输出端、所述第二单向DC/DC变换器10312的输出端和所述双向DC/DC变换器10313的输出端分别与所述直流母线106电连接。
在本发明实施例中，通过设置第一燃烧电池单元、第二燃烧电池单元和DC/DC变换器单元的电连接，有效控制其功率分配。
作为优选的实施例，仍结合图2来看，所述能量管理控制单元包括第一能量控制器10321和第二能量控制器10322，其中：所述第一单向DC/DC变换器10311、所述第二单向DC/DC变换器10312和所述第一燃烧电池单元1011同时电连接至所述第一能量控制器10321，所述锂电池模块102、所述双向DC/DC变换器10313同时电连接至所述第二能量控制器10322。
在本发明实施例中，通过设置第一能量控制器和第二能量控制器，分别管理不同电池的功率分配。
作为优选的实施例，仍结合图2来看，所述直流输出模块104包括至少一路的DC/DC变换器、所述交流输出模块105包括至少一路的DC/AC逆变器，所述至少一路的DC/DC变换器的输入端和所述DC/AC逆变器的输入端分别与直流母线106电连接，所述至少一路的DC/DC变换器的输出端和所述DC/AC逆变器的输出端分别与用电负载电连接。
在本发明实施例中，通过设置直流输出模块和交流输出模块，进行有效的电流输出。
本发明实施例提供了一种燃料电池电源系统的能量控制方法，结合图3来看，图3为本发明提供的燃料电池电源系统的能量控制方法一实施例的流程示意图，基于如上所述的燃料电池电源系统，包括步骤S301至步骤S302，其中：
在步骤S301中，获取DC/DC变换器单元的电路参数、燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数；
在步骤S302中，根据所述电路参数，确定所述DC/DC变换器单元期望的参考输入功率；
在步骤S303中，根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配；
在步骤S304中，根据优化后的参考输入功率，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现对参考输入电流的跟随。
在本发明实施例中，通过设置燃料电池模块和锂电池，用于传递相关的电池参数（燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数）给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的DC/DC变换器单元，用于传递相关的电路参数给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的能量管理控制单元，根据电池参数和电路参数，优化对DC/DC变换器单元的参考输入功率的分配，并调节DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现有效地电流跟随，使得实际输入功率能够跟随优化后的参考输入功率，达到功率跟随的目的，完成燃料电池电源系统的动态负载功率分配。
作为优选的实施例，上述步骤S302具体包括：
根据所述第一单向DC/DC变换器、所述第二单向DC/DC变换器和所述双向DC/DC变换器的参考电压和输入电压，以及电压偏差积分、比例下垂系数、饱和下限函数、直流母线的电压额定值，确定所述第一单向DC/DC变换器对应的第一参考输入功率、所述第二单向DC/DC变换器对应的第二参考输入功率、所述双向DC/DC变换器对应的第三参考输入功率；
将所述第一参考输入功率、所述第二参考输入功率和所述第三参考输入功率转化为对应的s域表达式，并通过优化的混合下垂控制算法，计算出期望的第一参考输入功率、期望的第二参考输入功率和期望的第三参考输入功率。
在本发明实施例中，根据不同的电路参数，有效计算出各个DC/DC变换器的期望的参考输入功率。
在本发明一个具体的实施例中，现有的混合下垂控制算法是基于输出电压和输出电流（或输出功率）间的下垂关系，所述能量管理控制器1和2应用的优化的混合下垂控制算法则是基于输入功率和输出电压误差的下垂关系：
Figure 647546DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 528915DEST_PATH_IMAGE002
分别为单向DC/DC变换器1、单向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器的参考输入功率，
Figure 291334DEST_PATH_IMAGE003
分别为第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器、双向DC/DC变换器的参考电压，
Figure 689561DEST_PATH_IMAGE004
设定为直流母线电压的额定值
Figure 348076DEST_PATH_IMAGE005
，
Figure 451161DEST_PATH_IMAGE006
分别为单向DC/DC变换器1、单向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器的输出电压，
Figure 486113DEST_PATH_IMAGE007
电压偏差积分，
Figure 505891DEST_PATH_IMAGE008
为比例下垂系数，饱和下限函数
Figure 335306DEST_PATH_IMAGE009
定义为：
Figure 191267DEST_PATH_IMAGE010
其中，燃料电池不可逆的电化学反应，即
Figure 826648DEST_PATH_IMAGE011
，则
Figure 186085DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 202713DEST_PATH_IMAGE013
、
Figure 14812DEST_PATH_IMAGE014
在s域的表达式为：
Figure 657146DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 136668DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure 822734DEST_PATH_IMAGE017
在s域的表达式，而
Figure 184445DEST_PATH_IMAGE018
为总负载功率，
Figure 568153DEST_PATH_IMAGE019
，
Figure 902182DEST_PATH_IMAGE020
，
Figure 306619DEST_PATH_IMAGE021
，
Figure 106691DEST_PATH_IMAGE022
，
Figure 825248DEST_PATH_IMAGE023
，
Figure 279363DEST_PATH_IMAGE024
，
其中，
Figure 57963DEST_PATH_IMAGE025
为直流母线的额定电压；
由上式可知，第一能量控制器和第二能量控制器通过优化的混合下垂控制算法可计算出三个DC/DC变换器当前状态下期望的参考输入功率，并且通过一阶低通滤波器
Figure 581218DEST_PATH_IMAGE026
、
Figure 103466DEST_PATH_IMAGE027
和一阶高通滤波器
Figure 412087DEST_PATH_IMAGE028
将总负载功率
Figure 361589DEST_PATH_IMAGE029
自动的分为低频和高频部分，使第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元始终承担负载功率的稳定部分和负载功率波动的低频部分，而由锂电池模块提供负载功率波动的高频部分，实现了电源系统的动态功率分配。
作为优选的实施例，所述燃烧电池参数包括所述第一燃烧电池单元的第一燃烧参数和所述第二燃烧电池单元的第二燃烧参数，上述步骤S303具体包括：
根据所述第一燃烧参数和所述第二燃烧参数，对期望的所述第一参考输入功率和期望的所述第二参考输入功率进行重新分配，确定优化后的第一参考输入功率和优化后的第二参考输入功率。
在本发明实施例中，通过第一燃烧参数、第二燃烧参数对第一DC/DC变换器、第二DC/DC变换器的期望的参考输入功率进行优化。
在本发明一个具体的实施例中，考虑到第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元的健康状态，根据第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元的单片电池电压情况，对第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元的输出功率进行再分配，使得健康状态较好的燃料电池模块承担更多的功率负荷：
Figure 873604DEST_PATH_IMAGE030
Figure 996281DEST_PATH_IMAGE031
Figure 159409DEST_PATH_IMAGE032
其中，
Figure 279812DEST_PATH_IMAGE033
为健康判断函数，
Figure 793969DEST_PATH_IMAGE034
为第一燃烧电池单元的某片电池电压，
Figure 907288DEST_PATH_IMAGE035
为第二燃烧电池单元的某片电池电压，
Figure 659343DEST_PATH_IMAGE036
为单片电池标准电压；
Figure 216226DEST_PATH_IMAGE037
为奖励函数，
Figure 748839DEST_PATH_IMAGE038
为奖励函数的权重因子，
Figure 416581DEST_PATH_IMAGE039
表示某时刻单向DC/DC变换器2的输入电流，
Figure 36524DEST_PATH_IMAGE040
表示某时刻燃料电池模块2所有单片电池的电压集合；
Figure 764309DEST_PATH_IMAGE041
为重新分配后的单向DC/DC变换器1、单向DC/DC变换器2的参考输入功率；
Figure 721901DEST_PATH_IMAGE042
为两个燃料电池模块一共需要承担的负载功率。
作为优选的实施例，所述状态参数包括SOC值，上述步骤S303具体包括：
根据所述SOC值，将所述锂电池模块分为不同的工作状态；
针对不同的工作状态，根据直流母线的额定值和预设电压调节量，调节所述双向DC/DC变换器对应的参考电压。
在本发明实施例中，通过SOC值对双向DC/DC变换器的期望的参考输入功率进行优化。
在本发明一个具体的实施例中，为了提高锂电池模块的使用寿命，根据锂电池模块的SOC状态将锂电池模块的工作状态分为三个状态，当SOC大于80%时处于放电模式，SOC小于50%时处于充电模式，SOC小于50%时处于充电模式，无论锂电池模块处于何种工作状态，第二能量控制器总能使锂电池模块回到普通模式，使得其SOC保持在50%~80%，对应的双向DC/DC变换器的参考输出电压设置为：
Figure 927754DEST_PATH_IMAGE043
其中，锂电池模块充电功率为
Figure 169249DEST_PATH_IMAGE044
，放电功率为
Figure 67934DEST_PATH_IMAGE045
，
Figure 512822DEST_PATH_IMAGE046
可根据实际应用情况进行调节。
作为优选的实施例，结合图4来看，图4为本发明提供的图3中步骤S304一实施例的流程示意图，包括步骤S401至步骤S404，其中：
在步骤S401中，根据优化后的第一参考输入功率、优化后的第二参考输入功率和所述锂电池模块的第三参考输入功率，分别确定对应的第一参考输入电流、第二参考输入电流和第三参考电流；
在步骤S402中，根据所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流。
在本发明实施例中，根据化后的第一参考输入功率、优化后的第二参考输入功率和锂电池模块的第三参考输入功率，计算对应的实际输入电流。
作为优选的实施例，结合图5来看，图5为本发明提供的图4中步骤S402一实施例的流程示意图，包括步骤S501至步骤S503，其中：
在步骤S501中，根据所述DC/DC变换器单元的实际拓扑结构，构建对应的状态空间模型，并进行离散化，得到未来时刻的预测模型；
在步骤S502中，根据未来时刻的所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，构建所述预测模型对应的价值函数；
在步骤S503中，求解所述价值函数的最优解，实现实际输入功率对参考输入功率的跟随。
在本发明实施例中，根据预测模型，有效实现输入功率对参考输入功率的跟随。
在本发明一个具体的实施例中，能量管理控制器1和2通过约束模型预测控制使直流变换器模块的三个DC/DC变换器的输入电流能够快速准确的跟随参考输入电流，从而使得输入功率能够跟随参考输入功率。参考输入电流为：
Figure 522367DEST_PATH_IMAGE047
其中，
Figure 431417DEST_PATH_IMAGE048
分别为单向DC/DC变换器1、单向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器的参考输入电流；
Figure 986157DEST_PATH_IMAGE049
分别为单向DC/DC变换器1、单向DC/DC变换器2、双向DC/DC变换器的输入电压；
即首先根据DC/DC变换器的实际拓扑结构得出对应的状态空间模型：
Figure 183920DEST_PATH_IMAGE050
其中，
Figure 465997DEST_PATH_IMAGE051
是状态变量，
Figure 432816DEST_PATH_IMAGE052
是控制输入变量，
Figure 656993DEST_PATH_IMAGE053
是被控输出变量，
Figure 342052DEST_PATH_IMAGE054
、
Figure 490137DEST_PATH_IMAGE055
、
Figure 311462DEST_PATH_IMAGE056
、
Figure 722852DEST_PATH_IMAGE057
为根据DC/DC变换器实际拓扑结构得到的参数矩阵；
其中，为了得到预测模型，将上式离散化后可得到：
Figure 377431DEST_PATH_IMAGE058
其中，
Figure 266889DEST_PATH_IMAGE059
，
Figure 942721DEST_PATH_IMAGE060
，
Figure 259433DEST_PATH_IMAGE061
；
假设当前采样时刻为k，则未来时刻的预测模型可以表示为：
Figure 450243DEST_PATH_IMAGE062
然后，根据实际系统的动态性能和稳态性能，选择合适的预测时域p和控制时域m，并且m≤p。变换器的控制目标是电感电流，并且要求电感电流的跟踪值和参考值的误差尽量小，波形尽可能平滑。因此基于上述要求可以构建价值函数：
Figure 392660DEST_PATH_IMAGE063
Figure 188578DEST_PATH_IMAGE064
其中，
Figure 941770DEST_PATH_IMAGE065
表示k+i时刻电感电流参考值，
Figure 823139DEST_PATH_IMAGE066
表示k时刻对k+i时刻电感电流的预测值，
Figure 539553DEST_PATH_IMAGE067
表示k+j时刻DC/DC变换器开关管的占空比增量，q是系统输出偏差权重系数，r为系统控制权重系数；
进一步地，通过对上式求最优解，即可使得DC/DC变换器电感电流平稳又快速地跟踪参考值，实现输入功率跟随参考输入功率。
本发明公开了一种燃料电池电源系统及其能量控制方法，在系统中，通过设置燃料电池模块和锂电池，用于传递相关的电池参数（燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数）给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的DC/DC变换器单元，用于传递相关的电路参数给能量管理控制单元；通过设置直流变换模块中的能量管理控制单元，根据电池参数和电路参数，优化对DC/DC变换器单元的参考输入功率的分配，并调节DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现有效地电流跟随，使得实际输入功率能够跟随优化后的参考输入功率，达到功率跟随的目的，完成燃料电池电源系统的动态负载功率分配。
本发明技术方案，电路结构紧凑，使系统高效、长寿命运行，并且能够实现在系统各个部分间基本无通信的情况下的动态功率分配，保障了系统的全局稳定性。而在能量管理策略上，采用复合优化的混合下垂控制和约束模型预测控制，使整个系统在各个部分之间在基本无通信的情况下自动完成动态功率分配，保障了整个电源系统的全局稳定性，加强了系统的鲁棒性，克服了现有集中式能量管理策略所存在的弊端。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池电源系统，其特征在于，包括燃料电池模块、锂电池模块、直流变换模块、直流输出模块、交流输出模块，所述直流变换模块包括DC/DC变换器单元和能量管理控制单元，其中：所述直流输出模块、所述交流输出模块通过直流母线与所述直流变换模块电连接，所述DC/DC变换器单元分别与所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块电连接，所述能量管理控制单元电连接至所述DC/DC变换器单元，同时电连接至所述燃料电池模块和/或所述锂电池模块。
2.根据权利要求1所述的燃料电池电源系统，其特征在于，所述燃料电池模块包括第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元，所述DC/DC变换器单元包括第一单向DC/DC变换器、第二单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，其中：
所述第一燃烧电池单元的输出端与所述第一单向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述第二燃烧电池单元的输出端与所述第二单向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述锂电池模块与所述双向DC/DC变换器的输入端电连接；
所述第一单向DC/DC变换器的输出端、所述第二单向DC/DC变换器的输出端和所述双向DC/DC变换器的输出端分别与所述直流母线电连接。
3.根据权利要求2所述的燃料电池电源系统，其特征在于，所述能量管理控制单元包括第一能量控制器和第二能量控制器，其中：所述第一单向DC/DC变换器、所述第二单向DC/DC变换器和所述第一燃烧电池单元同时电连接至所述第一能量控制器，所述锂电池模块、所述双向DC/DC变换器同时电连接至所述第二能量控制器。
4.根据权利要求1所述的燃料电池电源系统，其特征在于，所述直流输出模块包括至少一路的DC/DC变换器、所述交流输出模块包括至少一路的DC/AC逆变器，所述至少一路的DC/DC变换器的输入端和所述DC/AC逆变器的输入端分别与直流母线电连接，所述至少一路的DC/DC变换器的输出端和所述DC/AC逆变器的输出端分别与用电负载电连接。
5.一种燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，应用于根据权利要求1至4任一项所述的燃料电池电源系统中的能量管理控制单元，所述能量控制方法包括：
获取DC/DC变换器单元的电路参数、燃料电池模块的燃烧电池参数和锂电池模块的状态参数；
根据所述电路参数，确定所述DC/DC变换器单元期望的参考输入功率；
根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配；
根据优化后的参考输入功率，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现对参考输入电流的跟随。
6.根据权利要求5所述的燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，所述DC/DC变换器单元包括第一单向DC/DC变换器、第二单向DC/DC变换器和双向DC/DC变换器，所述根据所述电路参数，确定所述DC/DC变换器单元期望的参考输入功率，包括：
根据所述第一单向DC/DC变换器、所述第二单向DC/DC变换器和所述双向DC/DC变换器的参考电压和输入电压，以及电压偏差积分、比例下垂系数、饱和下限函数、直流母线的电压额定值，确定所述第一单向DC/DC变换器对应的第一参考输入功率、所述第二单向DC/DC变换器对应的第二参考输入功率、所述双向DC/DC变换器对应的第三参考输入功率；
将所述第一参考输入功率、所述第二参考输入功率和所述第三参考输入功率转化为对应的s域表达式，并通过优化的混合下垂控制算法，计算出期望的第一参考输入功率、期望的第二参考输入功率和期望的第三参考输入功率。
7.根据权利要求6所述的燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，所述燃料电池模块包括第一燃烧电池单元和第二燃烧电池单元，所述燃烧电池参数包括所述第一燃烧电池单元的第一燃烧参数和所述第二燃烧电池单元的第二燃烧参数，所述根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配，包括：
根据所述第一燃烧参数和所述第二燃烧参数，对期望的所述第一参考输入功率和期望的所述第二参考输入功率进行重新分配，确定优化后的第一参考输入功率和优化后的第二参考输入功率。
8.根据权利要求7所述的燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，所述状态参数包括SOC值；所述根据所述燃烧电池参数、所述状态参数，优化所述参考输入功率的分配，还包括：
根据所述SOC值，将所述锂电池模块分为不同的工作状态；
针对不同的工作状态，根据直流母线的额定值和预设电压调节量，调节所述双向DC/DC变换器对应的参考电压。
9.根据权利要求5所述的燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，所述根据优化后的参考输入功率，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，实现对参考输入电流的跟随，包括：
根据优化后的第一参考输入功率、优化后的第二参考输入功率和所述锂电池模块的第三参考输入功率，分别确定对应的第一参考输入电流、第二参考输入电流和第三参考电流；
根据所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流。
10.根据权利要求9所述的燃料电池电源系统的能量控制方法，其特征在于，所述根据所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，调节所述DC/DC变换器单元的实际输入电流，包括：
根据所述DC/DC变换器单元的实际拓扑结构，构建对应的状态空间模型，并进行离散化，得到未来时刻的预测模型；
根据未来时刻的所述第一参考输入电流、所述第二参考输入电流和所述第三参考电流，构建所述预测模型对应的价值函数；
求解所述价值函数的最优解，实现实际输入功率对参考输入功率的跟随。
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