燃料电池混合动力船舶的功率跟踪控制研究

陈维原，王锡淮，肖健梅

（上海海事大学物流工程学院，上海201306）

　　摘要：提出了一种基于模型预测控制的燃料电池超级电容混合动力船舶的功率跟踪控制策略。在提升了系统的瞬态功率响应能力的同时，实现了对超级电容中能量的滚动储备；在平抑燃料电池系统的端口功率波动的同时，实现了系统的可靠运行。仿真结果表明了所提出的控制策略的有效性，对比不同控制参数的情况，验证了控制器设计的有效性。

　　引言

　　随着全球化石能源的供需矛盾越加突显，船舶工业领域中清洁能源的应用越来越受到关注[1,2]。航运燃料的排放物主要是温室气体污染物。有数据显示，船舶航运产业在年度全球温室气体排放量占比近百分之三[3]。燃料电池船舶是一种解决传统船舶排放的解决方案之一，并且已经出现了一些应用[4]。

　　然而，燃料电池在船舶电力系统的应用中存在一系列运行管理上的问题。首先，为了防止燃料电池堆中的氧气匮乏问题，需要限制燃料电池输出端电流或功率的变化率[5]。文献[6]指出，电池堆内过低的氧气含量，将影响燃料电池的使用寿命，甚至使交换膜产生永久性的损伤。其次，对于采用离心式压缩机的燃料电池空气供应系统，文献[7]指出压缩机的工作点会因为其排出口的管网压力过高和吸入流量过低而超出其安全运行范围，进入喘振区，严重影响系统运行。当燃料电池输出端功率突然变化时，压缩机的空气供应量也需要快速地增减，从而容易使工作点进入喘振区。

　　以上运行特性表明，燃料电池系统的输出功率需要得到实时的控制。另一方面，电力推进船舶的负载多具有功率波动剧烈的特点，这就急需一类高功率密度的辅助电源为燃料电池提供功率缓冲。文献[8]采用燃料电池与超级电容结合的结构配置，使得超级电容的高功率密度特性与燃料电池高能量密度特性得到相互弥补。

　　然而超级电容在运行控制上同样存在需要考虑的因素。文献[9]指出，当超级电容的充电状态过低时，其外特性将接近短路。这将使其端口的双向DCDC变换器处于欠电压工作状态。同样，其过高的充电状态将对超级电容的使用寿命产生不良影响。综上所述，超级电容的充电状态管理需要实现滚动储备[10]：当功率需求上升时，能够释放电流，充电状态下降；当功率需求下降时，能够吸收能量，充电状态上升；从而整体上使充电状态维持在一个正常范围内。并且当超级电容的容量越小时，对滚动储备的需求就越明显。

　　基于以上分析，本文将模型预测控制[11]应用到燃料电池混合动力船舶的控制中，利用其多变量约束与滚动时域的特点，在系统变量临近其边界值时提前做出预判，避免系统变量越限，从而实现系统的安全可靠运行。利用其多目标优化特点，使得超级电容的充电状态滚动储备与功率跟踪控制得到兼顾；并协调燃料电池系统的可靠运行与燃料电池系统输出功率跟踪能力。

　　本文对象系统及控制系统框图如图1所示。

　　图中，一台50kW的质子交换膜燃料电池作为船舶的主动力源，通过升压直流变换器与直流母线相连；容量为12F的超级电容储能装置作为辅助储能，经双向DCDC变换与直流母线相连，实现与直流母线的功率双向交换，从而平抑燃料电池端口受到负载侧功率波动的影响。其中直流母线的电压通过直流变换器的电压控制环实现控制。

　　1燃料电池及其模型预测控制器设计

　　通过上文中的分析与描述，本文利用模型预测控制策略对燃料电池系统运行中的输出功率进行管理。

　　为了衡量燃料电池堆的氧气匮乏程度，本文引入余氧系数，如式(1)所示。

　　2超级电容及其模型预测控制器设计

　　3仿真分析

　　燃料电池混合动力船舶的基于MATLAB/Simulink的仿真模型如图2所示。　　

　　4结论

　　提出的燃料电池模型预测控制器实现了可靠运行与燃料电池系统输出功率跟踪能力的权衡，在系统可靠性得到保证的同时，体现出了良好的响应能力。提出的超级电容模型预测控制器实现了能量储备与输出功率跟踪能力的协调，进一步影响并改善了燃料电池端口的功率波动情况，提升了系统的鲁棒性。燃料电池及超级电容的模型预测控制器作为下层功率跟踪控制的组成部分，为系统的上层能量管理策略的必要基础，为能量分配策略的有效实施提供了保障。