燃料電池混合動(dòng)力船舶的功率跟蹤控制研究

陳維原，王錫淮，肖健梅

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

燃料電池混合動(dòng)力船舶的功率跟蹤控制研究

陳維原，王錫淮，肖健梅

（上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，上海 201306）

提出了一種基于模型預(yù)測(cè)控制的燃料電池超級(jí)電容混合動(dòng)力船舶的功率跟蹤控制策略。在提升了系統(tǒng)的瞬態(tài)功率響應(yīng)能力的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超級(jí)電容中能量的滾動(dòng)儲(chǔ)備；在平抑燃料電池系統(tǒng)的端口功率波動(dòng)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。仿真結(jié)果表明了所提出的控制策略的有效性，對(duì)比不同控制參數(shù)的情況，驗(yàn)證了控制器設(shè)計(jì)的有效性。

超級(jí)電容 燃料電池 功率跟蹤 預(yù)測(cè)控制

0 引言

隨著全球化石能源的供需矛盾越加突顯，船舶工業(yè)領(lǐng)域中清潔能源的應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注[1,2]。航運(yùn)燃料的排放物主要是溫室氣體污染物。有數(shù)據(jù)顯示，船舶航運(yùn)產(chǎn)業(yè)在年度全球溫室氣體排放量占比近百分之三[3]。燃料電池船舶是一種解決傳統(tǒng)船舶排放的解決方案之一，并且已經(jīng)出現(xiàn)了一些應(yīng)用[4]。

然而，燃料電池在船舶電力系統(tǒng)的應(yīng)用中存在一系列運(yùn)行管理上的問(wèn)題。首先，為了防止燃料電池堆中的氧氣匱乏問(wèn)題，需要限制燃料電池輸出端電流或功率的變化率[5]。文獻(xiàn)[6]指出，電池堆內(nèi)過(guò)低的氧氣含量，將影響燃料電池的使用壽命，甚至使交換膜產(chǎn)生永久性的損傷。其次，對(duì)于采用離心式壓縮機(jī)的燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]指出壓縮機(jī)的工作點(diǎn)會(huì)因?yàn)槠渑懦隹诘墓芫W(wǎng)壓力過(guò)高和吸入流量過(guò)低而超出其安全運(yùn)行范圍，進(jìn)入喘振區(qū)，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運(yùn)行。當(dāng)燃料電池輸出端功率突然變化時(shí)，壓縮機(jī)的空氣供應(yīng)量也需要快速地增減，從而容易使工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)。

以上運(yùn)行特性表明，燃料電池系統(tǒng)的輸出功率需要得到實(shí)時(shí)的控制。另一方面，電力推進(jìn)船舶的負(fù)載多具有功率波動(dòng)劇烈的特點(diǎn)，這就急需一類高功率密度的輔助電源為燃料電池提供功率緩沖。文獻(xiàn)[8]采用燃料電池與超級(jí)電容結(jié)合的結(jié)構(gòu)配置，使得超級(jí)電容的高功率密度特性與燃料電池高能量密度特性得到相互彌補(bǔ)。

然而超級(jí)電容在運(yùn)行控制上同樣存在需要考慮的因素。文獻(xiàn)[9]指出，當(dāng)超級(jí)電容的充電狀態(tài)過(guò)低時(shí)，其外特性將接近短路。這將使其端口的雙向DCDC變換器處于欠電壓工作狀態(tài)。同樣，其過(guò)高的充電狀態(tài)將對(duì)超級(jí)電容的使用壽命產(chǎn)生不良影響。綜上所述，超級(jí)電容的充電狀態(tài)管理需要實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)儲(chǔ)備[10]：當(dāng)功率需求上升時(shí)，能夠釋放電流，充電狀態(tài)下降；當(dāng)功率需求下降時(shí)，能夠吸收能量，充電狀態(tài)上升；從而整體上使充電狀態(tài)維持在一個(gè)正常范圍內(nèi)。并且當(dāng)超級(jí)電容的容量越小時(shí)，對(duì)滾動(dòng)儲(chǔ)備的需求就越明顯。

基于以上分析，本文將模型預(yù)測(cè)控制[11]應(yīng)用到燃料電池混合動(dòng)力船舶的控制中，利用其多變量約束與滾動(dòng)時(shí)域的特點(diǎn)，在系統(tǒng)變量臨近其邊界值時(shí)提前做出預(yù)判，避免系統(tǒng)變量越限，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。利用其多目標(biāo)優(yōu)化特點(diǎn)，使得超級(jí)電容的充電狀態(tài)滾動(dòng)儲(chǔ)備與功率跟蹤控制得到兼顧；并協(xié)調(diào)燃料電池系統(tǒng)的可靠運(yùn)行與燃料電池系統(tǒng)輸出功率跟蹤能力。

本文對(duì)象系統(tǒng)及控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1 燃料電池及其模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

通過(guò)上文中的分析與描述，本文利用模型預(yù)測(cè)控制策略對(duì)燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行中的輸出功率進(jìn)行管理。

為了衡量燃料電池堆的氧氣匱乏程度，本文引入余氧系數(shù)，如式(1)所示。

為了防止燃料電池堆的氧氣匱乏，引入如下約束條件。

為了防止燃料電池中空氣供應(yīng)系統(tǒng)的壓縮機(jī)工作點(diǎn)進(jìn)入喘振區(qū)，基于本文中采用壓縮機(jī)的特性曲線圖，設(shè)立如下線性約束條件：

本文中燃料電池系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，參見(jiàn)文獻(xiàn)[12]。

四是推動(dòng)了社會(huì)治理結(jié)構(gòu)優(yōu)化和社會(huì)治理能力的提升。多元化糾紛解決機(jī)制是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)社會(huì)治理體系和社會(huì)治理能力現(xiàn)代化的重要內(nèi)容。“一站式”司法確認(rèn)機(jī)制，積極延伸司法機(jī)關(guān)審判職能，充分發(fā)揮人民調(diào)解組織的作用，聯(lián)合地方各級(jí)黨委、政府、相關(guān)部門(mén)和組織，建立起了銜接緊密、各方聯(lián)動(dòng)的矛盾糾紛化解機(jī)制，有效地將矛盾糾紛化解在源頭，既提升了社會(huì)治理能力，又優(yōu)化了社會(huì)治理結(jié)構(gòu)。

下面給出離散線性化模型的參數(shù)矩陣：

燃料電池系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制問(wèn)題的形式可如下所述：

滿足狀態(tài)方程式(5)以及如式(2)到(4)的輸出量約束，成立。

文中：

2 超級(jí)電容及其模型預(yù)測(cè)控制器設(shè)計(jì)

為了衡量超級(jí)電容的充電狀態(tài)，定義充電狀態(tài)如下式：

超級(jí)電容的充電狀態(tài)約束如下所示：

超級(jí)電容的模型預(yù)測(cè)控制問(wèn)題的形式可如下所述：

3 仿真分析

燃料電池混合動(dòng)力船舶的基于MATLAB/Simulink的仿真模型如圖2所示。

圖3給出當(dāng)Psc=20時(shí)，超級(jí)電容側(cè)輸出電流跟隨上層控制參考軌跡的變化情況，而圖8給出了當(dāng)=24時(shí)，超級(jí)電容側(cè)輸出電流與參考軌跡的變化情況。相比圖3，圖8由于較長(zhǎng)的預(yù)測(cè)時(shí)域能更早預(yù)判到功率需求峰谷值的到來(lái)，更早一步為超級(jí)電容的充電狀態(tài)做好儲(chǔ)備，所以在輸出電流上出現(xiàn)了更明顯的反向尖峰，這對(duì)功率跟蹤性能是不利的，所以選取合適的預(yù)測(cè)時(shí)域非常重要。圖4給出了當(dāng)=20時(shí)，超級(jí)電容充電狀態(tài)的變化情況。

4 結(jié)論

提出的燃料電池模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)了可靠運(yùn)行與燃料電池系統(tǒng)輸出功率跟蹤能力的權(quán)衡，在系統(tǒng)可靠性得到保證的同時(shí)，體現(xiàn)出了良好的響應(yīng)能力。提出的超級(jí)電容模型預(yù)測(cè)控制器實(shí)現(xiàn)了能量?jī)?chǔ)備與輸出功率跟蹤能力的協(xié)調(diào)，進(jìn)一步影響并改善了燃料電池端口的功率波動(dòng)情況，提升了系統(tǒng)的魯棒性。燃料電池及超級(jí)電容的模型預(yù)測(cè)控制器作為下層功率跟蹤控制的組成部分，為系統(tǒng)的上層能量管理策略的必要基礎(chǔ)，為能量分配策略的有效實(shí)施提供了保障。

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Research on Power Tracking Control of Fuel Cell Hybrid Ship

Chen Weiyuan, Wang Xihuai, Xiao Jianmei

(Logistics Engineering College, Shanghai Maritime University, Shanghai201306, China)

A power tracking control strategy for fuel cell hybrid ship based on model predictive control is proposed. The transient power response capability of the system is improved and the rolling storage of energy in ultracapacitor is realized. At same time, the port power fluctuation of the fuel cell system IS minimized, and a reliable operation of system is achieved. The simulation results show the effectiveness of proposed control strategy. Meanwhile, the effectiveness of the controller design is verified by comparing the different control parameters.

supercapacitor; PEM fuel cell; power tracking; predictive control

TM911

A

1003-4862（2017）10-0022-05

2017-07-15

陳維原（1992-），男，碩士研究生。研究方向：燃料電池船舶的系統(tǒng)控制。

E-mail: wycheneasmu@126.com