[發明專利]一種用于多源混合動力系統的分散式功率分配法

有效

• 申請號: 202010421326.7
• 申請日: 2020-05-18
• 公開（公告）號: CN111463837B
• 公開（公告）日: 2021-05-14
• 發明（設計）人: 蔡坤城;陳家偉;宋清超;張財志
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: H02J3/46
• 分類號: H02J3/46;H02J3/38
• 代理公司: 重慶信航知識產權代理有限公司 50218
• 代理人: 吳彬

本發明公開了一種用于多源混合動力系統的分散式功率分配法，其包括1)搭建多源混合動力系統；2)設計多源混合動力系統的混合下垂控制策略，其包括采用虛擬下垂控制器對燃料電池單元、蓄電池單元和超級電容單元進行功率分配；3)設計燃料電池單元、蓄電池單元和超級電容單元各自的虛擬下垂控制器的內部控制回路，將燃料電池變換器控制為電流源，將蓄電池變換器和超級電容變換器控制為電壓源從而去調節母線電壓，為負載提供所需的功率。本發明不僅實現了負載功率在不同供電單元間的自動分配，以應對不同運行條件下系統不同的需求；而且在無需添加額外控制器的情況下，實現了穩態時超級電容荷電狀態的自動恢復。

技術領域

本發明涉及燃料電池、電氣化交通系統、直流微電網領域，特別是涉及一種多源混合動力系統的功率分配法。

背景技術

近年來，由于世界經濟蓬勃發展，對石油等化石燃料的需求急劇增加。但一方面，由于其不可再生的特性，化石燃料的大規模使用很可能引發新一輪的能源危機。另一方面，由于化石燃料的使用而造成的各類污染將對環境產生嚴重的負面影響。為了解決上述問題，可再生能源的使用漸漸提上日程。

在交通運輸領域，節能減排的需求也變得越來越迫切。燃料電池(Fuel Cell,FC)供電系統由于能量密度高，能效高和零排放而變得越來越受歡迎。但是，由于燃料電池的動態響應較慢，因此無法適應負載電流的突變。在新的穩態建立過程中，燃料電池的使用壽命可能會受到溫度，氣壓和濕度超標的影響。不僅如此，在車輛或者飛機的某些狀態下，將產生大量的再生能量以回饋到電源，但是燃料電池不能存儲，因此需要安裝額外的卸荷電阻以將其耗散，這將不可避免地增加動力系統的體積和重量。因此，僅通過使用燃料電池很難滿足可再生能源車輛或飛機中電力負載新的需求。為了提高能源利用效率并延長燃料電池的壽命，燃料電池與具有快速動態響應的其他輔助儲能設備(例如電池，超級電容器(Supercapacitor,SC)或兩者的組合)的組合已成為潛在的解決方案。

對于當前可用的燃料電池，其能量流動是不可逆的，即只能輸出能量而不能回收，而輔助電源必須能夠回收制動能量。超級電容具有高功率密度，動態響應快速但能量密度低。而蓄電池雖然功率密度較低，動態響應較慢但具有較高的能量密度。現有解決方案通常使用超級電容或蓄電池之一作為輔助電源，以根據特定需求供電。這樣做的優點是可以有針對性地解決問題，但是無法完全彌補燃料電池的缺陷。因此，本發明考慮將燃料電池/蓄電池/超級電容混合動力系統視為應用的最終解決方案。

對于由燃料電池，蓄電池和超級電容組成的混合動力系統，與燃料電池和蓄電池相比，超級電容具有高功率密度和快速動態響應的特性，這使得超級電容可以緩沖快速變化或脈動的負載。同時，燃料電池和蓄電池可以彌補超級電容能量密度低的缺陷。此外，蓄電池和超級電容均可以回收燃料電池無法吸收的制動能量。混合動力系統結合了三者的優勢，可同時實現快速動態性能，高功率供應以及大能量供應和能量回收。為了合理分配負載功率并充分利用三種動力源的優勢，需要一種合適的能源管理策略。

現有的能量管理策略主要包括兩種：集中式功率分配策略和分散式功率分配策略。集中式功率分配策略主要包括模型預測控制，基于神經網絡的多目標優化，模糊控制等。但是，集中處理容易產生通信延遲，單點故障等問題，并且在添加電源單元時計算量成倍增加，這將極大地影響系統的可擴展性。

因此，目前急需研究出一套適用于多源混合動力系統的分散式能量管理策略，以不僅同時實現高功率密度和高能量密度的需求，還可以實現快速動態響應和制動能量的回收。

發明內容

有鑒于此，本發明的目的是一種用于多源混合動力系統的分散式功率分配法，以解決現有的能源管理策略不能實現燃料電池、蓄電池和超級電容混合動力系統對實現多源混合動力系統高功率密度和高能量密度的需求，以及對快速動態響應和制動能量回收的需求的技術問題。

本發明用于多源混合動力系統的分散式功率分配法，其包括步驟：