计及多堆燃料电池效率特性的...储混合系统协调优化控制方法_王鑫.pdf

第 43 卷 第 7 期2023 年 7 月电 力 自 动 化 设 备Electric Power Automation EquipmentVol.43 No.7Jul.2023计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法王鑫，涂春鸣，郭祺，侯玉超，肖凡（湖南大学 国家电能变换与控制工程技术研究中心，湖南 长沙 410082）摘要：针对传统多堆燃料电池的控制方法难以解决系统全功率范围高效运行与暂态电压稳定的问题，提出了一种计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法，分为系统优化分配层与装备协调控制层。在系统优化分配层，提出了一种优化分配与轻载运行策略，以多堆燃料电池系统的效率最优为目标求解全功率映射集合，实现多堆燃料电池功率的优化分配，并避免燃料电池运行于轻载区间；在装备协调控制层，提出了一种燃料电池和电池组暂态功率快速平衡控制与稳态能量互补方法，实现两者之间暂、稳态的能量互补，抑制系统直流母线电压波动，提高系统的运行稳定性。基于Simulink平台进行算例分析，结果验证了所提协调优化控制方法的可行性与正确性。关键词：氢储混合系统；多堆燃料电池；效率特性；功率分配；协调控制中图分类号：TM761；TK02 文献标志码：ADOI：10.16081/j.epae.2022060080 引言在“双碳”战略背景下，我国正加快向以清洁能源为主体的新型电力系统转变12。氢燃料电池作为一种高效、环保的发电装置，在未来具有广阔的发展前景3。其中，质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因具有清洁高效、运行温度低、启动速度快、可长期供电的优点而受到广泛的关注4。目前，氢燃料电池与储能的混合系统（简称为“氢储混合系统”）已在分布式发电、家庭供电、电动汽车、轨道交通、船舶、移动设备等领域得到大量的应用5。以氢燃料电池为核心电源的混合供电系统已成为当前的研究热点6。氢储混合系统由燃料电池、储能设备、直流变换器等组成。由于燃料电池自身具有功率响应延迟特性7，难以快速跟踪负荷功率突变，通常引入储能设备作为燃料电池供电的辅助设备，利用储能设备的高动态响应特性补偿负荷突变下直流系统的暂态功率缺额，实现氢储混合系统的高效、可靠运行。目前，国内外学者已对氢储混合系统的协调优化控制进行了相关研究，主要集中在氢储混合系统的控制策略811、多堆燃料电池的联合运行等方面1215。在氢储混合系统的控制策略方面：文献 8 介绍了一种应用于电动汽车的燃料电池-储能电池-超级电容混合系统的能量管理策略，以降低汽车氢耗为目标并采用改进粒子群优化算法进行求解；文献9 为了实现燃料电池混合电动汽车的最佳燃料消耗目标，提出了一种基于短期需求功率预测的自适应最小等效氢耗控制策略；文献 10 对双堆燃料电池并联系统进行建模，提出了双堆燃料电池的控制策略，实现了双堆燃料电池系统的最优负荷分摊；文献 11 针对现有飞机用燃料电池混合系统可靠性较低的弊端，提出了一种燃料电池-电池组-超级电容的动态功率分配方法。总体而言，已有氢储混合系统的装备控制策略通常采用传统的恒压控制或下垂控制方法，但传统的控制方法仍存在暂态电压波动恢复速度慢、难以平抑等问题。此外，已有研究通常将燃料电池看作一个整体，仅考虑单堆燃料电池系统的效率优化问题。然而，单堆燃料电池的输出功率往往有限，且容错性低，已有单堆燃料电池系统的控制策略难以直接应用于多堆燃料电池混合系统。在多堆燃料电池的联合运行方面：文献 12 采用特定的功率变换器模拟光伏最大功率点跟踪方法，实现了多堆燃料电池的最大输出功率控制，但未考虑多堆燃料电池系统的效率优化问题；文献 13对比了逐级启动与功率均分这2种传统多堆燃料电池功率分配方法，但这2种方法均存在固有的缺陷，功率均分方法在低功率区间的效率较低，而逐级启动方法在高功率区间的效率较低；文献 14 提出了将2种传统的控制方法相结合的多堆燃料电池功率优化分配方法，但仍无法实现多堆燃料电池系统全功率范围的最优功率分配；文献 15 对含不同型号、输出特性的多堆燃料电池系统的效率进行研究，提出了基于Slap算法的多堆燃料电池效率优化方法，但未考虑变换器效率特性曲线、燃料电池轻载运行等问题。总体而言，已有关于多堆燃料电池联合运收稿日期：20220316；修回日期：20220513在线出版日期：20220612基金项目：国家重点研发计划项目（2021YFB2601504）Project supported by the National Key R&D Program of China（2021YFB2601504）19电 力 自 动 化 设 备第 43 卷行的研究所考虑的因素不够全面，未考虑燃料电池轻载运行、氢储控制配合等问题，难以实现多堆燃料电池全功率范围内的最优功率分配。为了解决上述问题，本文以多堆PEMFC氢储混合系统孤岛运行为背景，提出了一种计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法。根据协调优化控制方法的目标不同，将其分为系统优化分配层与装备协调控制层。在系统优化分配层，综合考虑燃料电池、变换器等的效率特性，采用搜索算法求解多堆燃料电池的全功率映射集合，实现多堆燃料电池的功率优化分配以及氢储混合系统轻载、过载运行区间的协调运行策略。在装备协调控制层，提出一种暂态功率快速互补控制方法，实现PEMFC与电池组暂态、稳态能量的互补，抑制直流母线电压波动，保证系统的稳定运行。最后，基于Simulink平台搭建氢储混合系统的仿真模型，验证本文所提协调优化控制方法的可行性。仿真结果表明本文所提协调控制方法能有效实现多堆PEMFC输出功率的优化分配，抑制系统的电压暂态波动，提高系统的稳定性。1 多堆PEMFC氢储混合系统相比于单堆 PEMFC，多堆 PEMFC 并联可提供更高的输出功率，增加系统的冗余能力，提高系统的可靠性16。本文以并联型三堆PEMFC氢储混合系统孤岛运行为研究背景，该系统包括3个PEMFC、电池组、交直流负载、中央控制系统。系统中所有设备的变换器连接至直流母线，PEMFC作为主电源，电池组作为辅助储能设备，两者相互配合以确保系统功率平衡与负载供电稳定。三堆PEMFC氢储混合系统的拓扑结构如图1所示。图中：PFC1 PFC3分别为 PEMFC1PEMFC3变换器的输出功率；Pload为负荷功率；Pbat为电池组的输出功率。图1中的三堆PEMFC是系统的主要供电电源，通过并联型单向DCDC升压变换器17连接至直流母线，电池组则通过双向Buck-Boost变换器接入直流母线，交、直流负荷分别通过 DCAC 变换器、DCDC变换器连接至直流母线。中央控制系统负责采集各设备的状态与参数，并实时计算下发控制指令给各设备的变换器，实现多堆PEMFC氢储混合系统的协调优化管理。2 PEMFC的效率特性如何根据已有参数构建精准的PEMFC本体物理模型并解析其输出特性，是研究多堆PEMFC输出功率优化分配策略的先决条件。单堆PEMFC输出功率-效率特性受PEMFC极化特性、电堆辅助设备（压缩机、水泵、散热器等）的功耗、DCDC变换器效率特性的影响。因此，定义单堆PEMFC发电效率FC的表达式为：FC=StackEB（1）式中：Stack为电堆本体效率；E为辅助设备效率；B为变换器效率。本文基于 ElectroChem 公司的PEMFC电堆参数进行分析18。2.1PEMFC输出特性曲线单堆PEMFC输出特性模型中，燃料电池的电压VFC可表示为19：VFC=n(ENernst-Vact-Vcon-Vohmic)（2）式中：n为串联燃料电池个数；ENernst为热动力电动势；Vact为活化极化电势；Vcon为浓度差电势；Vohmic为欧姆极化电势。燃料电池的详细建模过程见附录A。根据燃料电池模型可得PEMFC的输出特性曲线，见附录B图B1，数据来自文献 18。由图可看出，单堆PEMFC的输出电压随着输出电流的增大而不断减小，而PEMFC的输出功率则先增大到最高点然后减小。2.2PEMFC效率曲线1）电堆本体效率。根据PEMFC极化特性的数学模型，可得电堆本体效率stack的表达式为：stack=f VFCIENernstI（3）式中：f为燃料利用率，取值范围一般为 99%100%1415，本文中取值为99%；I为电堆的输出电流。2）辅助设备效率。在实际的运行过程中，燃料电池堆系统的压缩机等辅助设备会产生一定的功率损耗，设电堆辅助设备效率E为：E=PFC/CPstack100%=Pstack-PauxPstack100%（4）式中：PFC/C为 PEMFC 系统的输出功率；Pstack为电堆的输出功率；Paux为电堆辅助设备消耗的功率，其与图1氢储混合系统的拓扑结构Fig.1Topology structure of hybrid systemwith hydrogen and battery20第 7 期王鑫，等：计及多堆燃料电池效率特性的氢储混合系统协调优化控制方法运行负荷近似无关20，本文设其为常数。当不考虑变换器效率B时，根据式（3）和式（4）可得PEMFC系统效率FC/C为：FC/C=stackE（5）根据式（5）可得PEMFC系统的输出功率PFC/C与其效率FC/C之间的特性曲线，见附录B图B2。3）变换器效率。如图1所示，PEMFC系统的并联型单向DCDC升压变换器与直流母线相连。基于变换器输出功率PFC与其效率B的特性测试数据17，采用多项式进行拟合，如式（6）所示。B=p6P6FC+p5P5FC+p4P5FC+p3P3FC+p2P2FC+p1PFC+p0（6）式中：p0 p6为多项式的拟合参数。根据式（6）可得PEMFC变换器的效率特性曲线，见附录B图B3。由上述分析可知，单堆PEMFC系统的输出功率与其效率之间具有先增大后减小的非比例关系。当多堆PEMFC系统并联运行时，在负荷所需总功率不变的前提下，可以通过合理分配各电堆的输出功率提高多堆PEMFC系统的整体发电效率。3 协调优化控制方法协调优化控制方法对分布式电源系统的稳定性、动态性、经济性等具有较大的影响。在本文的研究中，多堆PEMFC氢储混合系统的协调优化控制框架为包含系统优化分配层、装备协调控制层的双层架构，见图2。系统优化分配层需实现的目标为：避免多堆PEMFC系统轻载运行，实现PEMFC轻载区间过渡；制定功率优化分配策略，提升多堆PEMFC系统的整体效率。装备协调控制层需实现的目标为：实现PEMFC与电池组的暂态互补，抑制直流母线电压波动，维持系统稳定；实现PEMFC与电池组的稳态互补，维持电池组的荷电状态（state of charge，SOC）稳定，并限制电池组的充放电深度。3.1多堆PEMFC系统的效率曲线由单堆 PEMFC 的效率特性曲线可知，单堆PEMFC的输出功率与其效率间的非比例关系为实现多堆PEMFC系统输出功率的优化分配提供了契机。本文以三堆 PEMFC 系统为例，对多堆 PEMFC氢储混合系统的功率优化分配策略进行研究。根据单堆 PEMFC的特性分析，定义多堆 PEMFC系统整体效率FCO的计算式为：|FCO=PFCOPFC1/FC1+PFC2/FC2+PFC3/FC3PFCO=PFC1+PFC2+PFC3=Pload（7）式中：FC1 FC3分别为PEMFC1 PEMFC3的发电效率，可根据式（1）计算得到；PFCO为多堆PEMFC系统的输出功率，系统稳态运行时其应与Pload一致。由前文分析可知，当 PEMFC 在轻载区间运行时，其效率较低。同时，相关研究指出：由于PEMFC在轻载区间运行时的老化速度较快，应避免其轻载运行8，21。文献 21 中定义当PEMFC的输出电压大于0.9 V时为轻载工况，将VFC代入式（3）（6），可得到系统的轻载功率阈值PFC_min。基于此，本文提出多堆PEMFC氢储混合系统的轻载区间运行策略。根据上述分析，本文将负荷功率分为轻载、正常、过载这3个运行区间，具体区间划分如附录B图