本發(fā)明涉及混合儲能系統(tǒng)、混合供電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法。

背景技術(shù)：

隨著世界性能源危機(jī)的日益加劇以及環(huán)境污染問題日益突出，清潔、綠色、高效的可再生能源發(fā)電技術(shù)得到了快速發(fā)展。因燃料電池具有清潔、高效、高功率密度、低噪音和配置靈活等優(yōu)點(diǎn)，采用燃料電池替換傳統(tǒng)發(fā)電單元已成為解決傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電系統(tǒng)低效率、高油耗、高噪音、高污染問題的主要措施之一。由于現(xiàn)代電氣系統(tǒng)(如多電飛機(jī)、電動汽車、多電船等)中大量新型電氣化負(fù)載的負(fù)荷曲線具有強(qiáng)脈動、快變化特性(周期幾十至幾百毫秒)，然而動態(tài)響應(yīng)較慢的燃料電池(幾秒至幾十秒)難以提供負(fù)載所需動態(tài)功率。不僅如此，現(xiàn)代電氣系統(tǒng)在某些運(yùn)行狀態(tài)下，負(fù)載會產(chǎn)生大量再生能量向源回饋。而燃料電池?zé)o法存儲回饋能量，需要額外安裝卸荷電阻對其進(jìn)行耗散，勢必會增大系統(tǒng)體積和重量。因此，單一采用燃料電池難以滿足現(xiàn)代電氣系統(tǒng)中新型電氣化負(fù)載的供電需求。為解決這一問題，集成多個(gè)供電單元(如燃料電池、蓄電池和超級電容等)的混合供電系統(tǒng)得到了工業(yè)界和學(xué)術(shù)界重視，成為了一種潛在的解決方案。

根據(jù)報(bào)道，在未來電氣系統(tǒng)中，燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)是最具競爭力的混合供電系統(tǒng)。燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)中不同供電單元具有不同的能量密度、功率密度和動態(tài)響應(yīng)特性，可分別滿足負(fù)載不同功率需求：因燃料電池功率密度低、動態(tài)響應(yīng)慢，但能量密度高，可由其在混合供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中連續(xù)向負(fù)載提供所需功率的低頻分量；超級電容因能量密度低，但功率密度高，動態(tài)響應(yīng)快，可提供負(fù)載功率的高頻脈動分量。如此，可全面優(yōu)化混合供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和整體性能。顯然，負(fù)載功率在不同特性的供電單元間合理分配需要優(yōu)化的功率分配控制方法來實(shí)現(xiàn)。研究出一種優(yōu)良的功率分配控制方法是保證混合供電系統(tǒng)能夠成功運(yùn)用于未來電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵，具有極為重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

因燃料電池和超級電容均為直流供電單元，兩者可通過直直變換器并聯(lián)構(gòu)成混合供電系統(tǒng)。負(fù)載功率在兩者間的優(yōu)化分配可通過對端口變換器施加合理的控制來實(shí)現(xiàn)。目前，國內(nèi)外已有相關(guān)文獻(xiàn)研究燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的功率優(yōu)化分配控制問題。對現(xiàn)有方法進(jìn)行分析總結(jié)，可大致歸為兩類：

第一類控制方法為基于對負(fù)載功率分頻的傳統(tǒng)功率分配控制方法，具有實(shí)現(xiàn)簡單，技術(shù)成熟的優(yōu)點(diǎn)。典型研究包括：題為“dynamicenergymanagementofrenewablegridintegratedhybridenergystoragesystem”,n.r.tummuru,m.k.mishra,ands.srinivas,《ieeetransactionsonindustrialelectronics》,2015,62(12):7728–7737的文章和題為“real-timeenergymanagementalgorithmformitigationofpulseloadsinhybridmicrogrids”,a.mohamed,v.salehi,ando.mohammed,《ieeetransactionsonsmartgrid》,2012,3(4):1911–1922的文章針對燃料電池-超級電容系統(tǒng)提出了一種簡單的基于高通和低通濾波器的功率分配控制方法。該方法運(yùn)用高通和低通濾波器對檢測到的負(fù)載功率進(jìn)行濾波，并將高通和低通濾波后的信號分別作為超級電容和燃料電池端口變換器的功率控制環(huán)基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了由超級電容提供脈動功率，燃料電池提供平均功率的目標(biāo)；題為“asupervisorypower-splittingapproachforanewultracapacitor–batteryvehicledeployingtwopropulsionmachines”,s.dusmezanda.khaligh,《ieeetransactionsonindustrialinformatics》,2014,10(3):1960–1971的文章中，研究者首先運(yùn)用小波變換法分離了負(fù)載功率的高頻和低頻分量，之后運(yùn)用與上述文章中類似的端口變換器控制方法實(shí)現(xiàn)了負(fù)載功率在不同供電單元間的優(yōu)化分配；題為“amodelpredictivecontrolsystemforahybridbatteryultracapacitorpowersource”,b.hredzak,v.g.agelidis,m.jang,《ieeetransactionsonpowerelectronics》,2014,29(3):1469-1479的文章則提出了一種模型預(yù)測控制方法來分離負(fù)載功率的高頻和低頻分量，同樣實(shí)現(xiàn)了功率優(yōu)化分配的控制目標(biāo)。

第二類控制方法為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等先進(jìn)算法的多目標(biāo)優(yōu)化控制方法，該類方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜、運(yùn)算耗時(shí)，為滿足功率控制實(shí)時(shí)性要求，需要配備性能更優(yōu)、成本更高的控制芯片。典型研究包括：題為“多能源復(fù)合型電動汽車充換儲放電站的能量管理技術(shù)研究”，代倩,武漢:華中科技大學(xué),2014的文章中提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的多目標(biāo)優(yōu)化策略；題為“experimentalvalidationofenergystoragesystemmanagementstrategiesforalocaldcdistributionsystemofmoreelectricaircraft”,h.zhang,f.mollet,c.saudemont,b.robyns,《ieeetransactionsonindustrialelectronics》,2010,57(12):3905-3916的文章中提出的基于模糊控制的多目標(biāo)優(yōu)化策略等。

分析以上兩類方法還可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有策略均為基于通信的集中控制。功率優(yōu)化分配控制的實(shí)現(xiàn)首先需要集中控制器對負(fù)載功率進(jìn)行采樣，并計(jì)算出各供電單元的功率基準(zhǔn)。然后由通信網(wǎng)絡(luò)將功率基準(zhǔn)傳遞給相應(yīng)供電單元的端口變換器，通過變換器控制實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化分配。然而，因通信必然存在延時(shí)，功率優(yōu)化分配性能難以保證。而且系統(tǒng)擴(kuò)展性差，增加儲能單元數(shù)量不僅會增加通信復(fù)雜度，而且要求重新設(shè)計(jì)功率分配控制算法，難以適應(yīng)系統(tǒng)擴(kuò)容需求。

為解決集中控制的缺點(diǎn)，已有學(xué)者著手研究適用于混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配控制方法。題為“decentralizedpowermanagementinahybridfuelcellultracapacitorsystem”,o.madani,a.bhattacharjee,andt.das,《ieeetransactionsoncontrolsystemstechnology》,2016,24(3):765–778的文章中研究了一種針對燃料電池-超級電容系統(tǒng)的分散式功率分配控制方法，功率優(yōu)化分配無需通信網(wǎng)絡(luò)。但可注意到該方法實(shí)現(xiàn)時(shí)需要負(fù)載電流這一公共信號，不是真正意義的分散控制。題為“frequency-coordinatingvirtualimpedanceforautonomouspowermanagementofdcmicrogrid”,y.gu,w.li,《ieeetransactionsonpowerelectronics》,2015,30(4):2328-2337的文章針對蓄電池-超級電容系統(tǒng)提出了一種基于可調(diào)虛擬阻抗的分散式功率分配控制方法。該方法中蓄電池和超級電容的電流基準(zhǔn)由母線電壓外環(huán)調(diào)節(jié)給出。因母線電壓外環(huán)僅采用比例調(diào)節(jié)器，存在穩(wěn)態(tài)誤差，使不同供電單元間存在較大環(huán)流。此外，因燃料電池和超級電容均為直流供電單元，兩者組成的混合供電系統(tǒng)可視為直流微電網(wǎng)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的功率下垂控制方法也可沿用。然而，傳統(tǒng)功率下垂控制策略只能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)功率在不同供電單元間優(yōu)化分配，無法兼顧不同供電單元的動態(tài)特性對脈動的負(fù)載功率實(shí)施動態(tài)優(yōu)化分配控制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的是一種燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法，以解決燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)存在的動態(tài)功率優(yōu)化分配的分散式控制、母線電壓偏差以及超級電容的荷電狀態(tài)恢復(fù)和過充過放保護(hù)等技術(shù)問題。

本發(fā)明提出一種燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法，包括以下步驟：

步驟1：建立燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)，其包括燃料電池、燃料電池的dc/dc變換器、超級電容、超級電容的dc/dc變換器、卸荷電路；

步驟2：設(shè)計(jì)控制器對燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)進(jìn)行控制

a1、采用帶電壓補(bǔ)償?shù)奶摂M電阻下垂控制器對燃料電池dc/dc變換器的外環(huán)電壓進(jìn)行控制，以使其輸出電壓自動恢復(fù)到參考電壓，其輸出的伏安特性為：

式中，vnom為直流母線的電壓標(biāo)稱值，vofc和iofc分別為燃料電池dc/dc變換器的輸出電壓和輸出電流，rv1為燃料電池dc/dc變換器的虛擬電阻，ki1為燃料電池dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)；

a2、采用電壓環(huán)pi控制器對燃料電池dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電壓進(jìn)行控制，并采用電流環(huán)pi控制器對燃料電池dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制；

b1：采用帶過充過放保護(hù)的虛擬電容下垂控制器對超級電容dc/dc變換器的外環(huán)電壓進(jìn)行控制，其輸出的伏安特性為：

式中，vnom為直流母線的電壓標(biāo)稱值，vosc和iosc分別為超級電容dc/dc變換器的輸出電壓和輸出電流，cv1、cv2和cv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電容，rv2和rv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電阻，ki2和ki3為超級電容dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)，soc為超級電容的荷電狀態(tài)；

b2、采用電壓環(huán)pi控制器對超級電容dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電壓進(jìn)行控制，并采用電流環(huán)pi控制器對超級電容dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制；

c：采用卸荷電路控制器對卸荷電路進(jìn)行控制；

步驟3：對燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)設(shè)置控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)分散式動態(tài)功率分配；

a、當(dāng)超級電容處于正常工作區(qū)，即超級電容的荷電狀態(tài)為0.3＜soc＜0.7，負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

將等式(3)和(4)利用標(biāo)準(zhǔn)形式改寫為：

式中，自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

由等式(9)得到自然頻率ωn為：

根據(jù)等式(7)、(8)和(10)得到：

b、當(dāng)超級電容處于放電警戒區(qū)或禁止放電區(qū)時(shí)，即超級電容的荷電狀態(tài)為soc≤0.3，負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

根據(jù)等式(13)和(14)的標(biāo)準(zhǔn)形式得到二階濾波器g′fc(s)和g′sc(s)的自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

根據(jù)拉普拉斯變換終值定理，設(shè)定二階濾波器g′fc(s)和g′sc(s)的穩(wěn)態(tài)值滿足：

同時(shí)設(shè)定二階濾波器g′fc(s)的截止頻率、燃料電池支路的參數(shù)以及期望的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)保持不變，即ωc、rv1、ki1、ζ保持不變；

c、當(dāng)超級電容處于充電警戒區(qū)或禁止充電區(qū)時(shí)，即超級電容的荷電狀態(tài)為soc≥0.7，負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

根據(jù)等式(20)和(21)的標(biāo)準(zhǔn)形式可得，二階濾波器g″fc(s)和g″sc(s)的自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

根據(jù)拉普拉斯變換終值定理，設(shè)定二階濾波器g″fc(s)和g″sc(s)的穩(wěn)態(tài)值滿足：

同時(shí)設(shè)定二階濾波器g″fc(s)的截止頻率、燃料電池支路的參數(shù)以及期望的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)保持不變，即ωc、rv1、ki1、ζ保持不變。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法，不僅可實(shí)現(xiàn)燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的脈動負(fù)載功率在不同供電單元間的動態(tài)優(yōu)化分配，高頻的功率脈動由超級電容提供，低頻的緩變功率由燃料電池提供；而且在穩(wěn)定狀態(tài)下還可實(shí)現(xiàn)母線電壓和超級電容荷電狀態(tài)的自動恢復(fù)。此外，本發(fā)明還可實(shí)現(xiàn)超級電容的過充過放保護(hù)，以保證超級電容工作在正常工作區(qū)。

附圖說明

圖1為燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的控制原理框圖。

圖2為帶電壓補(bǔ)償?shù)奶摂M電阻下垂控制器的控制原理圖。

圖3為帶過充過放保護(hù)的虛擬電容下垂控制器的控制原理圖。

圖4為卸荷電路控制器的控制原理圖。

圖5為當(dāng)超級電容處于正常工作區(qū)時(shí)，燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路圖。

圖6為當(dāng)超級電容處于放電警戒區(qū)或禁止放電區(qū)時(shí)，燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路圖。

圖7為當(dāng)超級電容處于充電警戒區(qū)或禁止充電區(qū)時(shí)，燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路圖。

圖8為實(shí)施例中所述燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的簡化電路圖。圖中l(wèi)1為燃料電池dc/dc變換器的電感；d1為燃料電池dc/dc變換器的二極管；s1為燃料電池dc/dc變換器的開關(guān)管；c1為燃料電池dc/dc變換器的電容；l2為超級電容dc/dc變換器的電感；s2和s3為超級電容dc/dc變換器的開關(guān)管；c2為超級電容dc/dc變換器的電容；r1為負(fù)載；r2為卸荷電阻；s4為卸荷電路的開關(guān)管。

圖9為實(shí)施例中所述燃料電池/超級電容混合供電系統(tǒng)的控制框圖。其中rv1為燃料電池dc/dc變換器的虛擬電阻；ki1為燃料電池dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)；cv1、cv2和cv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電容；rv2和rv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電阻；ki2和ki3為超級電容dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)；soc為超級電容的荷電狀態(tài)。

圖10為當(dāng)超級電容處于正常工作區(qū)時(shí)，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理圖。

圖11為當(dāng)超級電容處于放電警戒區(qū)或禁止放電區(qū)時(shí)，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理圖。

圖12為當(dāng)超級電容處于充電警戒區(qū)或禁止充電區(qū)時(shí)，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理圖。

圖13為燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的負(fù)載功率在5s時(shí)由72.9w瞬間增大到2.7kw的仿真結(jié)果圖。

圖14為燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的負(fù)載功率在10s時(shí)由2.7kw瞬間減小為1.35kw的仿真結(jié)果圖。

圖15為燃料電池dc/dc變換器和超級電容dc/dc變換器添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)與未添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)母線電壓的仿真結(jié)果圖。

圖16為燃料電池dc/dc變換器和超級電容dc/dc變換器添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)與未添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)時(shí)超級電容荷電狀態(tài)的仿真結(jié)果圖。

圖17為超級電容dc/dc變換器未添加過充過放保護(hù)環(huán)節(jié)和添加過充過放保護(hù)環(huán)節(jié)時(shí)超級電容荷電狀態(tài)的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。

在本實(shí)施例中，燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的簡化電路如圖8所示。燃料電池的額定輸出功率為12kw，額定輸出電壓為90v，輸出電壓的波動范圍為74v～130v；超級電容的額定電壓為96v，電容值為100f；直流母線電壓的標(biāo)稱值為270v；燃料電池dc/dc變換器和超級電容dc/dc變換器的開關(guān)頻率為10khz，電感l(wèi)1和l2均為2mh，電容c1和c2均為470uf；卸荷電路的開關(guān)頻率為10khz,卸荷電阻r2為2ω。本實(shí)施例要求負(fù)載功率的高頻脈動分量由超級電容提供，負(fù)載功率的低頻分量由燃料電池提供，以實(shí)現(xiàn)脈動負(fù)載功率的動態(tài)優(yōu)化分配。

本實(shí)施例燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法，包括以下步驟：

步驟1：建立燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)，其簡化電路如圖8所示，其包括燃料電池、燃料電池的dc/dc變換器、超級電容、超級電容的dc/dc變換器、卸荷電路。

步驟2：設(shè)計(jì)控制器對燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)進(jìn)行控制

a1、因?yàn)槿剂想姵匾蚬β拭芏鹊汀討B(tài)響應(yīng)慢，但能量密度高，可由其在混合供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中連續(xù)向負(fù)載提供所需功率的低頻分量，并且傳統(tǒng)的虛擬電阻下垂控制器會引起輸出電壓存在偏差，從而導(dǎo)致母線電壓偏差。因此本實(shí)施例中采用帶電壓補(bǔ)償?shù)奶摂M電阻下垂控制器對燃料電池dc/dc變換器的外環(huán)電壓進(jìn)行控制，以使其輸出電壓自動恢復(fù)到參考電壓，其輸出的伏安特性為：

式中，vnom為直流母線的電壓標(biāo)稱值，vofc和iofc分別為燃料電池dc/dc變換器的輸出電壓和輸出電流，rv1為燃料電池dc/dc變換器的虛擬電阻，ki1為燃料電池dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)。

a2、采用電壓環(huán)pi控制器對燃料電池dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電壓進(jìn)行控制，并采用電流環(huán)pi控制器對燃料電池dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制。電流環(huán)引入后，不僅可對輸出電流加以限制，而且還可以加快輸出的動態(tài)響應(yīng)，有利于減小輸出電壓的紋波。因此，本實(shí)施例中帶電壓補(bǔ)償?shù)奶摂M電阻下垂控制器的控制原理圖如圖2所示。

b1：超級電容能量密度低，但功率密度高，動態(tài)響應(yīng)快，可由其提供負(fù)載所需功率的高頻脈動分量。此外，由于超級電容的容量有限，因此會難以避免的發(fā)生超級電容的剩余容量不足以滿足當(dāng)前動態(tài)功率需求的情況，如果超級電容依然按照當(dāng)前的動態(tài)功率需求工作，將會導(dǎo)致超級電容過充或過放。過度充放電都會對超級電容造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害(如減少其使用壽命)，因此在實(shí)際中要盡量避免這種情況。為達(dá)到超級電容只響應(yīng)瞬態(tài)負(fù)載功率變化，并具有過充過放保護(hù)功能的目的，因此本實(shí)施例中采用帶過充過放保護(hù)的虛擬電容下垂控制器對超級電容dc/dc變換器的外環(huán)電壓進(jìn)行控制，其輸出的伏安特性為：

式中，vnom為直流母線的電壓標(biāo)稱值，vosc和iosc分別為超級電容dc/dc變換器的輸出電壓和輸出電流，cv1、cv2和cv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電容，rv2和rv3為超級電容dc/dc變換器的虛擬電阻，ki2和ki3為超級電容dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)，soc為超級電容的荷電狀態(tài)。

b2、采用電壓環(huán)pi控制器對超級電容dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電壓進(jìn)行控制，并采用電流環(huán)pi控制器對超級電容的dc/dc變換器的內(nèi)環(huán)電流進(jìn)行控制。電流環(huán)引入后，不僅可對輸出電流加以限制，而且還可以加快輸出的動態(tài)響應(yīng)，有利于減小輸出電壓的紋波。因此，本實(shí)施例中帶過充過放保護(hù)的虛擬電容下垂控制器的控制原理如圖3所示。

c：采用卸荷電路控制器對卸荷電路進(jìn)行控制。當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生大量的再生能量向源回饋時(shí)，因燃料電池?zé)o法存儲回饋能量，便只能利用超級電容來存儲回饋能量。由于超級電容的容量有限，若超級電容不處于正常工作區(qū)(即超級電容的荷電狀態(tài)為soc≤0.3或soc≥0.7)，因?yàn)槌夒娙載c/dc變換器采用帶過充過放保護(hù)的控制器，所以超級電容將減少或不存儲回饋能量，從而會引起母線電壓升高。因此，需要利用卸荷電路將多余的回饋能量耗散掉，以防止母線電壓過高。本實(shí)施例中的卸荷電路設(shè)計(jì)控制器的控制原理圖4所示，卸荷電路控制器采用傳統(tǒng)的pi控制器。

步驟3：對燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)設(shè)置控制參數(shù)，以實(shí)現(xiàn)分散式動態(tài)功率分配；

a、當(dāng)超級電容處于正常工作區(qū)，即超級電容的荷電狀態(tài)為0.3＜soc＜0.7，此狀態(tài)燃料電池/超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路圖5所示。根據(jù)等效電路圖可得負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

根據(jù)等式(3)和(4)可知，負(fù)載電流分配到燃料電池支路時(shí)自動加入二階低通濾波器gfc(s)，分配到超級電容支路時(shí)自動加入二階高通濾波器gsc(s)。此狀態(tài)下，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理如圖10所示。從圖10可明顯看出，通過合理配置二階濾波器的參數(shù)(即配置rv1、ki1和cv1)，就可對脈動負(fù)載電流進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化分配，燃料電池提供低頻緩變的負(fù)載電流分量，超級電容提供高頻脈動的負(fù)載電流分量。

將等式(3)和(4)利用標(biāo)準(zhǔn)形式改寫為：

式中，自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

由等式(9)得到自然頻率ωn為：

根據(jù)等式(7)、(8)和(10)得到：

本實(shí)施例二階濾波器的截止頻率選取為ωc＝2π×0.4hz，燃料電池dc/dc變換器的虛擬電阻設(shè)定為rv1＝1ω，系統(tǒng)的阻尼比設(shè)定為ζ＝0.8，根據(jù)公式(10)、(11)和(12)可求得，燃料電池dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)為ki1＝0.7766，超級電容dc/dc變換器的虛擬電容為cv1＝0.5030f。

b、當(dāng)超級電容處于放電警戒區(qū)或禁止放電區(qū)時(shí)，即超級電容的荷電狀態(tài)為soc≤0.3，此狀態(tài)燃料電池/超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路如圖6所示。根據(jù)等效電路圖，負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

根據(jù)等式(13)和(14)可知，負(fù)載電流分配到燃料電池支路時(shí)自動加入二階低通濾波器g′fc(s)，分配到超級電容支路時(shí)自動加入二階高通濾波器g′sc(s)。此狀態(tài)下，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理如圖11所示。從圖11可明顯看出，通過合理配置二階濾波器的參數(shù)(即配置rv1、rv2、ki1、ki2和cv2)，不僅可對脈動負(fù)載電流進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化分配，燃料電池提供低頻緩變的負(fù)載電流分量，超級電容提供高頻脈動的負(fù)載電流分量，而且也能以適當(dāng)?shù)某潆婋娏鳛槌夒娙莩潆?，使超級電容恢?fù)至正常工作區(qū)。

根據(jù)等式(13)和(14)的標(biāo)準(zhǔn)形式得到二階濾波器g′fc(s)和g′sc(s)的自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

為保證超級電容既能給燃料電池/超級電容混合供電系統(tǒng)繼續(xù)提供負(fù)載所需功率的高頻脈動分量，同時(shí)也能以適當(dāng)?shù)某潆婋娏鳛槌夒娙莩潆姡钩夒娙莼謴?fù)至正常工作區(qū)。根據(jù)拉普拉斯變換終值定理，設(shè)定二階濾波器g′fc(s)和g′sc(s)的穩(wěn)態(tài)值滿足：

同時(shí)設(shè)定二階濾波器g′fc(s)的截止頻率、燃料電池支路的參數(shù)以及期望的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)保持不變，即ωc、rv1、ki1、ζ保持不變，以保證引入超級電容過充過放保護(hù)前后混合供電系統(tǒng)的動態(tài)性能不變。根據(jù)等式(15)、(17)、(18)和(19)可得，超級電容dc/dc變換器的虛擬電阻為rv2＝-199.5303，超級電容dc/dc變換器的虛擬電容為cv2＝0.5478f，超級電容dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)為ki2＝14.0968。

c、當(dāng)超級電容處于充電警戒區(qū)或禁止充電區(qū)時(shí)，即超級電容的荷電狀態(tài)為soc≥0.7，此狀態(tài)燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的等效電路如圖7所示。根據(jù)等效電路圖，負(fù)載電流在不同供電單元間的分配關(guān)系為：

根據(jù)等式(20)和(21)可知，負(fù)載電流分配到燃料電池支路時(shí)自動加入二階低通濾波器g″fc(s)，分配到超級電容支路時(shí)自動加入二階高通濾波器g″sc(s)。此狀態(tài)下，脈動負(fù)載電流的動態(tài)優(yōu)化分配原理如圖12所示。從圖12可明顯看出，通過合理配置二階濾波器的參數(shù)(即配置rv1、rv3、ki1、ki3和cv3)，不僅可對脈動負(fù)載電流進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化分配，燃料電池提供低頻緩變的負(fù)載電流分量，超級電容提供高頻脈動的負(fù)載電流分量，而且也能以適當(dāng)?shù)姆烹婋娏鞣烹姡钩夒娙莼謴?fù)至正常工作區(qū)。

根據(jù)等式(20)和(21)的標(biāo)準(zhǔn)形式可得，二階濾波器g″fc(s)和g″sc(s)的自然頻率ωn和阻尼比ζ分別為：

根據(jù)濾波器截止頻率的定義有：

為保證超級電容既能給燃料電池/超級電容混合供電系統(tǒng)繼續(xù)提供負(fù)載所需功率的高頻脈動分量，同時(shí)也能以適當(dāng)?shù)姆烹婋娏鞣烹姡钩夒娙莼謴?fù)至正常工作區(qū)。根據(jù)拉普拉斯變換終值定理，設(shè)定二階濾波器g″fc(s)和g″sc(s)的穩(wěn)態(tài)值滿足：

同時(shí)設(shè)定二階濾波器g″fc(s)的截止頻率、燃料電池支路的參數(shù)以及期望的系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)保持不變，即ωc、rv1、ki1、ζ保持不變，以保證引入超級電容過充過放保護(hù)前后混合供電系統(tǒng)的動態(tài)性能不變。根據(jù)等式(22)、(24)、(25)和(26)可得，超級電容dc/dc變換器的虛擬電阻為rv3＝11.3481，超級電容dc/dc變換器的虛擬電容為cv3＝0.5359f，超級電容dc/dc變換器電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)的積分常數(shù)為ki3＝0.9809。

根據(jù)以上步驟并結(jié)合圖1(即燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的控制原理框圖)，本實(shí)施例中所述燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的控制框圖如圖9所示。

下面對本燃料電池-超級電容混合供電系統(tǒng)的分散式功率分配法的有效性進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

在仿真模型中，燃料電池變換器電壓環(huán)的比例和積分系數(shù)分別為0.2126和6.4126，電流環(huán)的比例和積分系數(shù)分別為0.0419和23.6870；超級電容變換器電壓環(huán)的比例和積分系數(shù)分別為0.2969和12.0900，電流環(huán)的比例和積分系數(shù)分別為0.0419和23.6870；卸荷電路控制器的比例和積分系數(shù)分別為0.3和1.2。

從仿真結(jié)果圖13和圖14可明顯看出，在負(fù)載功率瞬間增大或瞬間減少時(shí)，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了負(fù)載功率在不同供電單元的自動優(yōu)化分配，驗(yàn)證了本發(fā)明的有效性。

從仿真結(jié)果圖15和圖16可明顯看出，當(dāng)燃料電池變換器和超級電容變換器未添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)，在穩(wěn)定狀態(tài)下母線電壓和超級電容的荷電狀態(tài)都沒有恢復(fù)到標(biāo)稱值。當(dāng)燃料電池變換器和超級電容變換器添加電壓補(bǔ)償環(huán)節(jié)后，在穩(wěn)定狀態(tài)下母線電壓和超級電容的荷電狀態(tài)都恢復(fù)到了標(biāo)稱值。

從仿真結(jié)果圖17可明顯看出，在暫態(tài)時(shí)超級電容均進(jìn)入了放電警戒區(qū)，但未添加過充過放保護(hù)環(huán)節(jié)時(shí)超級電容荷電狀態(tài)比添加過充過放保護(hù)環(huán)節(jié)后超級電容荷電狀態(tài)的變化范圍更大，即超級電容放電更多；在穩(wěn)態(tài)時(shí)超級電容的荷電狀態(tài)均恢復(fù)到了初始值，從而驗(yàn)證了超級電容過充過放保護(hù)環(huán)節(jié)的有效性。

最后說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照較佳實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的宗旨和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。