燃料電池混合動力系統(tǒng)的平坦性控制方法研究

陳志遠， 馬 磊， 楊之青， 鄧宮泰

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

燃料電池混合動力系統(tǒng)的平坦性控制方法研究

陳志遠， 馬 磊， 楊之青， 鄧宮泰

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

針對燃料電池/超級電容混合動力系統(tǒng)設(shè)計了一種基于平坦性控制的能量管理方法。在Matlab/Simulink仿真軟件中建立了燃料電池間接型混合動力系統(tǒng)模型，證明此系統(tǒng)是平坦性系統(tǒng)，根據(jù)平坦性控制方法設(shè)計能量管理控制器，再對控制目標(biāo)進行軌跡規(guī)劃，對控制效果進行仿真，與采用經(jīng)典控制理論設(shè)計的PI控制器的控制效果進行對比。

燃料電池；超級電容；能量管理；平坦性控制

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有安靜、高效和零排放等優(yōu)點[1]，很多研究機構(gòu)都投入大量精力對其進行研究。但其存在的缺點有：不能儲存電能；動態(tài)響應(yīng)較慢；輸出電壓隨負載變化而變化；冷啟動較為困難[2]等。通常，解決方法是加入輔助儲能設(shè)備(蓄電池或超級電容)構(gòu)成混合動力系統(tǒng)，并通過能量管理策略控制燃料電池及輔助儲能設(shè)備的功率輸出，保證電源的快速性與穩(wěn)定性[3]。

目前已有很多學(xué)者對燃料電池混合動力系統(tǒng)控制方法做了大量研究，但很少有針對系統(tǒng)非線性的研究。燃料電池混合動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)主要分為燃料電池間接型，燃料電池直接型以及燃料電池與輔助儲能設(shè)備均間接型三種結(jié)構(gòu)。Payman等[4]與Thounthong等[5]采用平坦性控制方法分別對燃料電池直接型結(jié)構(gòu)和燃料電池與輔助儲能設(shè)備均間接型結(jié)構(gòu)進行分析和控制，因為平坦性控制方法能很好地解決有明確輸出軌跡規(guī)劃的控制問題，本文針對燃料電池間接型混合動力系統(tǒng)做平坦性控制方法研究，系統(tǒng)拓撲如圖1所示，這種結(jié)構(gòu)有利于控制并優(yōu)化燃料電池，并且與其他的燃料電池混合動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比成本更低。

圖1 燃料電池間接型混合動力系統(tǒng)拓撲圖

1 系統(tǒng)模型

圖2 混合動力系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)圖

采用文獻[6-7]中的方法建立額定功率為500 W的燃料電池動態(tài)模型，模型輸入量為負載電流，輸出為負載電壓，即。

Boost型DC/DC變換器采用狀態(tài)空間平均法建模[8]。為簡化起見，只考慮直流變換器的靜態(tài)損耗，通過在電容器旁串聯(lián)的電阻來等效，狀態(tài)方程如式(1)所示。占空比根據(jù)燃料電池輸出電流參考值與實際值來調(diào)制，其中，即功率跟隨控制。

根據(jù)各能量源與總線電容的功率輸入輸出關(guān)系，由功率守恒原理可知：

由于DC/DC中電感值遠小于電容值，因此可忽略電感上的儲能，即輸出功率為：

由此可知，系統(tǒng)是非線性的，模型中各參數(shù)如表1所示。

表1 模型參數(shù)

2 控制器設(shè)計

2.1 平坦性控制方法

平坦性控制方法的本質(zhì)是輸出反饋線性化[9]。平坦系統(tǒng)也稱微分平坦性系統(tǒng)，是指可以通過內(nèi)源反饋線性化的動態(tài)系統(tǒng)，輸出稱為平坦性輸出。微分平坦性的主要特點是：狀態(tài)變量和控制變量均可通過不解的微分方程而只用平坦性輸出變量及的有限次微分的數(shù)學(xué)關(guān)系來表示[9]。式(6)所示系統(tǒng)，狀態(tài)變量為：

證明式(5)所示系統(tǒng)為平坦系統(tǒng)，式(7)稱為系統(tǒng)的逆動態(tài)。圖3為平坦性控制器的輸出反饋線性化原理圖。

圖3 平坦性控制器的輸出反饋線性化原理圖

考慮到燃料電池自身的功率響應(yīng)速度較慢，為保護燃料電池安全運行，燃料電池輸出參考值設(shè)置為式(7)計算出的乘一階慣性環(huán)節(jié)。

此一階慣性環(huán)節(jié)可以濾掉頻率高于燃料電池電流環(huán)截止頻率的信號，并不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。根據(jù)500 W燃料電池技術(shù)資料，取=6.52。同時考慮到燃料電池的外圍設(shè)備功率需求及安全運行等問題，將其輸出功率參考值限制在0～400 W之間，控制參數(shù)的選擇為=50。

2.2 輸出量參考值的軌跡規(guī)劃

3 仿真結(jié)果與分析

在Matlab/Simulink中建立系統(tǒng)仿真模型，設(shè)計平坦性控制器，并對控制結(jié)果進行仿真。圖4顯示了負載需求功率變化時，燃料電池輸出功率及超級電容輸出功率的變化情況，10 s時，負載需求功率由0上升為200 W，超級電容補償動態(tài)過程中的功率差，燃料電池輸出功率在17 s左右滿足負載需求之后超級電容輸出功率下降為0；70 s時，需求功率上升為550 W，95 s左右燃料電池的輸出功率提高到其最大值，超級電容繼續(xù)提供超出部分功率；130 s時，需求功率開始下降為300 W，超級電容吸收燃料電池多輸出的功率，140 s左右燃料電池輸出功率下降到需求功率附近，之后超級電容輸出功率為0；當(dāng)負載開始回饋能量時，燃料電池輸出功率逐漸降低最后停止工作，由超級電容來吸收總線上的回饋功率。系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，當(dāng)超級電容輸出功率為0，燃料電池輸出功率總是略大于負載需求功率(燃料電池停止工作時除外)，多輸出的功率即是在DC/DC上消耗的功率。

圖4 負載需求功率及各能量源輸出功率變化情況

總線電壓參考值及其實際變化情況如圖5所示。將平坦性控制方法與經(jīng)典線性控制方法對比，采用PI控制方法對本模型設(shè)計控制器：

圖5 總線電壓參考值及其實際變化情況

4 結(jié)論

本文建立了燃料電池間接型混合動力系統(tǒng)供電端模型，并采用平坦性控制方法對此系統(tǒng)進行能量管理控制。控制量考慮了燃料電池的動態(tài)過程，保證了燃料電池的安全運行。通過仿真驗證了本文提出的控制方法能合理控制燃料電池與超級電容功率分配，實現(xiàn)既定的控制目標(biāo)，且控制效果優(yōu)于用經(jīng)典控制理論設(shè)計的PI控制器的控制效果。

圖6 平坦性控制與PI控制總線電壓響應(yīng)對比

[1]衣寶廉.燃料電池－原理技術(shù)應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：160-236.

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[8]THOUNTHONG P，PIERFEDERICI S.A new control law based on the differential flatness principle for multiphase interleaved DC-DC converter[J].Circuits and Systems II:Express Briefs，IEEE Transactions on，2010，57(11):903-907.

[9]FLIESS M，LéVINE J，MARTIN P，et al.Flatness and defect of non-linear systems:Introductory theory and examples[J].International Journal of Control，1995，61(6):1327-1361.

Flatness-based control method of fuel cell hybrid power system

An approach of energy management based on flatness-based control was proposed to control the fuel cell/supercapacitor hybrid power system. A fuel cell indirect hybrid power system model was established in Simulink/Matlab.Flatness of the system is proved.An energy management controller was designed by flatness control method.The trajectory of control target was planned.The control effect was simulated and compared with the result of the PI controller designed by the classical control theory.

fuel cell;supercapacitor;energy management;flatness-based control

TM 911.4

A

1002-087 X(2016)04-0765-03

2015-09-12

國家自然科學(xué)基金 (51177138)；國家科技支撐計劃(2014BAG08B01)

陳志遠(1988—)，男，河南省人，碩士，主要研究方向為燃料電池混合動力系統(tǒng)非線性控制。