[发明专利]一种实现燃料电池阵列最大效率运行的功率分配方法

说明书

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。

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P_max，设定每个燃料电池系统切换点功率P_{end_i}，设定燃料电池性能差异排序变量R_label，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P_ref；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η_FCi，且有下式：

其中，Q_FCi为第i个燃料电池系统的单位时间能耗值，且有下式：