燃料电池混合动力系统的平坦性控制方法研究

陈志远， 马 磊， 杨之青， 邓宫泰

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

燃料电池混合动力系统的平坦性控制方法研究

陈志远， 马 磊， 杨之青， 邓宫泰

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

针对燃料电池/超级电容混合动力系统设计了一种基于平坦性控制的能量管理方法。在Matlab/Simulink仿真软件中建立了燃料电池间接型混合动力系统模型，证明此系统是平坦性系统，根据平坦性控制方法设计能量管理控制器，再对控制目标进行轨迹规划，对控制效果进行仿真，与采用经典控制理论设计的PI控制器的控制效果进行对比。

燃料电池；超级电容；能量管理；平坦性控制

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有安静、高效和零排放等优点[1]，很多研究机构都投入大量精力对其进行研究。但其存在的缺点有：不能储存电能；动态响应较慢；输出电压随负载变化而变化；冷启动较为困难[2]等。通常，解决方法是加入辅助储能设备(蓄电池或超级电容)构成混合动力系统，并通过能量管理策略控制燃料电池及辅助储能设备的功率输出，保证电源的快速性与稳定性[3]。

目前已有很多学者对燃料电池混合动力系统控制方法做了大量研究，但很少有针对系统非线性的研究。燃料电池混合动力系统拓扑结构主要分为燃料电池间接型，燃料电池直接型以及燃料电池与辅助储能设备均间接型三种结构。Payman等[4]与Thounthong等[5]采用平坦性控制方法分别对燃料电池直接型结构和燃料电池与辅助储能设备均间接型结构进行分析和控制，因为平坦性控制方法能很好地解决有明确输出轨迹规划的控制问题，本文针对燃料电池间接型混合动力系统做平坦性控制方法研究，系统拓扑如图1所示，这种结构有利于控制并优化燃料电池，并且与其他的燃料电池混合动力系统结构相比成本更低。

图1 燃料电池间接型混合动力系统拓扑图

1 系统模型

图2 混合动力系统的物理结构图

采用文献[6-7]中的方法建立额定功率为500 W的燃料电池动态模型，模型输入量为负载电流，输出为负载电压，即。

Boost型DC/DC变换器采用状态空间平均法建模[8]。为简化起见，只考虑直流变换器的静态损耗，通过在电容器旁串联的电阻来等效，状态方程如式(1)所示。占空比根据燃料电池输出电流参考值与实际值来调制，其中，即功率跟随控制。

根据各能量源与总线电容的功率输入输出关系，由功率守恒原理可知：

由于DC/DC中电感值远小于电容值，因此可忽略电感上的储能，即输出功率为：

由此可知，系统是非线性的，模型中各参数如表1所示。

表1 模型参数

2 控制器设计

2.1 平坦性控制方法

平坦性控制方法的本质是输出反馈线性化[9]。平坦系统也称微分平坦性系统，是指可以通过内源反馈线性化的动态系统，输出称为平坦性输出。微分平坦性的主要特点是：状态变量和控制变量均可通过不解的微分方程而只用平坦性输出变量及的有限次微分的数学关系来表示[9]。式(6)所示系统，状态变量为：

证明式(5)所示系统为平坦系统，式(7)称为系统的逆动态。图3为平坦性控制器的输出反馈线性化原理图。

图3 平坦性控制器的输出反馈线性化原理图

考虑到燃料电池自身的功率响应速度较慢，为保护燃料电池安全运行，燃料电池输出参考值设置为式(7)计算出的乘一阶惯性环节。

此一阶惯性环节可以滤掉频率高于燃料电池电流环截止频率的信号，并不影响系统稳定性。根据500 W燃料电池技术资料，取=6.52。同时考虑到燃料电池的外围设备功率需求及安全运行等问题，将其输出功率参考值限制在0～400 W之间，控制参数的选择为=50。

2.2 输出量参考值的轨迹规划

3 仿真结果与分析

在Matlab/Simulink中建立系统仿真模型，设计平坦性控制器，并对控制结果进行仿真。图4显示了负载需求功率变化时，燃料电池输出功率及超级电容输出功率的变化情况，10 s时，负载需求功率由0上升为200 W，超级电容补偿动态过程中的功率差，燃料电池输出功率在17 s左右满足负载需求之后超级电容输出功率下降为0；70 s时，需求功率上升为550 W，95 s左右燃料电池的输出功率提高到其最大值，超级电容继续提供超出部分功率；130 s时，需求功率开始下降为300 W，超级电容吸收燃料电池多输出的功率，140 s左右燃料电池输出功率下降到需求功率附近，之后超级电容输出功率为0；当负载开始回馈能量时，燃料电池输出功率逐渐降低最后停止工作，由超级电容来吸收总线上的回馈功率。系统稳定工作时，当超级电容输出功率为0，燃料电池输出功率总是略大于负载需求功率(燃料电池停止工作时除外)，多输出的功率即是在DC/DC上消耗的功率。

图4 负载需求功率及各能量源输出功率变化情况

总线电压参考值及其实际变化情况如图5所示。将平坦性控制方法与经典线性控制方法对比，采用PI控制方法对本模型设计控制器：

图5 总线电压参考值及其实际变化情况

4 结论

本文建立了燃料电池间接型混合动力系统供电端模型，并采用平坦性控制方法对此系统进行能量管理控制。控制量考虑了燃料电池的动态过程，保证了燃料电池的安全运行。通过仿真验证了本文提出的控制方法能合理控制燃料电池与超级电容功率分配，实现既定的控制目标，且控制效果优于用经典控制理论设计的PI控制器的控制效果。

图6 平坦性控制与PI控制总线电压响应对比

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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

国家自然科学基金 (51177138)；国家科技支撑计划(2014BAG08B01)

陈志远(1988—)，男，河南省人，硕士，主要研究方向为燃料电池混合动力系统非线性控制。