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专利名称：一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202411124349.6

专利申请（专利权）人：浙江长龙海运有限公司
权利人地址：浙江省舟山市普陀区东港街道海天大道2701号舟山海中洲国际广场西楼15B01室

专利发明（设计）人：项坚波,沈琦

专利摘要：本发明提供一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，船舶混合动力系统包括燃料电池系统和储能系统，燃料电池系统包括多堆燃料电池，包括：构建总氢耗量最小约束，求解燃料电池系统的分配功率和储能系统的分配功率；根据燃料电池系统的分配功率和储能系统的分配功率对燃料电池系统和储能系统进行功率分配；分别获取燃料电池在额定电流的电压值，根据电压值从小到大的顺序对多堆燃料电池进行排序构成启用顺序；将燃料电池系统的分配功率平均分配给多堆燃料电池，多堆燃料电池按照启用顺序进行启动，实现性能不一致的燃料电池堆之间的合理的功率分配，使燃料电池尽可能地拥有相同地服役时间，提高燃料电池系统地稳定性。

主权利要求：
1.一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，船舶混合动力系统包括燃料电池系统和储能系统，所述燃料电池系统包括多堆燃料电池，其特征在于，包括：构建总氢耗量最小约束，求解所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率；根据所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率对所述燃料电池系统和所述储能系统进行功率分配；
分别获取所述燃料电池在额定电流的电压值，根据所述电压值从小到大的顺序对多堆所述燃料电池进行排序构成启用顺序；将所述燃料电池系统的分配功率平均分配给多堆所述燃料电池，多堆所述燃料电池按照所述启用顺序进行启动；
所述根据所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率对所述燃料电池系统和所述储能系统进行功率分配之后，还包括：对船舶负载实时采样得到第k时刻负载，采用基于时间序列的模型预测方法根据所述第k时刻负载进行第k+1时刻负载预测，采用调整系数对第k+1时刻预测结果进行修正，得到第k+1时刻修正后的预测负载；
根据所述第k+1时刻修正后的预测负载对所述燃料电池的输出功率进行限制；
所述调整系数按照以下方式计算：
其中， 为所述调整系数，为调控系数， 为标准差， 为概率密度函数均值，为第k+
1时刻负载与所述第k+1时刻预测结果的差值；
所述根据所述第k+1时刻修正后的预测负载对所述燃料电池的输出功率进行限制，按照以下方式计算：其中， 为在所述第k+1时刻时，所述燃料电池的参考输出功率， 为在所述第k时刻时，所述燃料电池的参考输出功率， 为调节输出， 为船舶的实时负载， 为所述第k+1时刻修正后的预测负载。
2.根据权利要求1所述的一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，其特征在于，所述总氢耗量最小约束按照以下方式计算：其中， 为所述燃料电池的输出功率最小值， 为所述燃料电池的输出功率最大值， 为所述储能系统的荷电状态下限， 为所述储能系统的荷电状态上限，为所述储能系统的电压最小值， 为所述储能系统的电压最大值， 为所述储能系统的实时荷电状态， 为修正系数， 为燃料电池输出功率， 为储能系统电压， 为等效氢耗最小时对应的燃料电池输出功率， 为混合动力系统氢气消耗量， 为燃料电池氢气消耗量， 为储能系统氢气消耗量。
3.根据权利要求2所述的一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，其特征在于，所述修正系数按照以下方式计算：其中， 为参数，0.1≤ ≤1。 说明书 : 一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法技术领域[0001] 本发明涉及燃料电池技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法。背景技术[0002] 在传统的化石能源日益短缺、海洋污染日益加重的情况，清洁能源持续受到各国的广泛关注。以氢气为燃料的燃料电池无污染、高能量密度、高发电效率的优点，使其在船舶领域有广泛的应用前景。[0003] 燃料电池直接将化学能转化为电能，是一种高效、环境友好的发电装置，目前船舶应用的燃料电池在朝着大功率、多堆的方向发展，以满足在水上航行时船舶和航行环境带来的复杂工况。多堆燃料电池混合动力系统的能量管理分两步实现，第一步是在多堆燃料电池和辅助电源之间分配需求功率，第二步是控制燃料电池堆栈的输出功率。由于燃料电池的输出功率与其燃料消耗速率并非正比关系，为减小燃料电池船舶的燃料消耗，需要合理的能量管理策略；针对多堆燃料电池系统，由于燃料电池自身与所处环境的差异，会导致产生不同程度的退化，在采用平均分配策略时会导致燃料电池的功率下降，而且当其中一个燃料电池出现故障时，会影响整个系统的输出功率，鲁棒性低，也需合理的能量管理策略对燃料电池堆之间的功率进行分配。[0004] 因此，本发明提供一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法。发明内容[0005] 根据上述提出的不足，而提供一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法。本发明主要利用两层能量管理策略，第一层为燃料电池系统与储能系统之间的能量管理策略，对船舶负载功率进行分配，实现燃料电池与储能系统之间的功率协调控制，第二层为多堆燃料电池之间的能量管理策略，将第一层输出的燃料电池系统的需求功率作为输入，通过对各燃料电池堆的退化程度的评价与估算，进一步将燃料电池系统的功率进行分配，实现多堆燃料电池之间的功率协调控制。[0006] 本发明采用的技术手段如下：[0007] 本发明提供了一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，船舶混合动力系统包括燃料电池系统和储能系统，所述燃料电池系统包括多堆燃料电池，包括：[0008] 构建总氢耗量最小约束，求解所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率；根据所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率对所述燃料电池系统和所述储能系统进行功率分配；[0009] 分别获取所述燃料电池在额定电流的电压值，根据所述电压值从小到大的顺序对多堆所述燃料电池进行排序构成启用顺序；将所述燃料电池系统的分配功率平均分配给多堆所述燃料电池，多堆所述燃料电池按照所述启用顺序进行启动。[0010] 优选地，所述总氢耗量最小约束按照以下方式计算：[0011][0012] 其中， 为所述燃料电池的输出功率最小值， 为所述燃料电池的输出功率最大值， 为所述储能系统的荷电状态下限， 为所述储能系统的荷电状态上限，为所述储能系统的电压最小值， 为所述储能系统的电压最大值， 为所述储能系统的实时荷电状态， 为修正系数， 为燃料电池输出功率， 为储能系统电压，为等效氢耗最小时对应的燃料电池输出功率， 为混合动力系统氢气消耗量， 为燃料电池氢气消耗量， 为储能系统氢气消耗量。[0013] 优选地，所述修正系数按照以下方式计算：[0014][0015] 其中， 为参数，0.1≤ ≤1。[0016] 优选地，所述根据所述燃料电池系统的分配功率和所述储能系统的分配功率对所述燃料电池系统和所述储能系统进行功率分配之后，还包括：[0017] 对船舶负载实时采样得到第k时刻负载，采用基于时间序列的模型预测方法根据所述第k时刻负载进行第k+1时刻负载预测，采用调整系数对第k+1时刻预测结果进行修正，得到第k+1时刻修正后的预测负载；[0018] 根据所述第k+1时刻修正后的预测负载对所述燃料电池的输出功率进行限制。[0019] 优选地，所述调整系数按照以下方式计算：[0020][0021] 其中， 为所述调整系数，为调控系数， 为标准差， 为概率密度函数均值， 为第k+1时刻负载与所述第k+1时刻预测结果的差值。[0022] 优选地，所述根据所述第k+1时刻修正后的预测负载对所述燃料电池的输出功率进行限制，按照以下方式计算：[0023][0024] 其中， 为在所述第k+1时刻时，所述燃料电池的参考输出功率， 为在所述第k时刻时，所述燃料电池的参考输出功率， 为调节输出， 为船舶的实时负载，为所述第k+1时刻修正后的预测负载。[0025] 较现有技术相比，本发明具有以下优点：[0026] 本发明提供的一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，通过两层能量管理策略，第一层为燃料电池系统与储能系统之间的能量管理策略，对船舶负载功率进行分配，实现燃料电池与储能系统之间的功率协调控制，第二层为多堆燃料电池之间的能量管理策略，将第一层输出的燃料电池系统的需求功率作为输入，通过对各燃料电池堆的退化程度的评价与估算，进一步将燃料电池系统的功率进行分配，实现多堆燃料电池之间的功率协调控制，可以在减少燃料电池船舶燃料消耗的同时，减少燃料电池负载的波动，实现性能不一致的燃料电池堆之间的合理的功率分配，使燃料电池尽可能地拥有相同地服役时间，提高燃料电池系统地稳定性。附图说明[0027] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0028] 图1为一种燃料电池船舶能量管理策略总体结构图。[0029] 图2为一种第一层能量管理策略中功率协调控制示意图。[0030] 图3为一种第二层能量管理策略中功率协调控制示意图。具体实施方式[0031] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。[0032] 需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。[0033] 参照图1、图2和图3，图1为一种燃料电池船舶能量管理策略总体结构图，图2为一种第一层能量管理策略中功率协调控制示意图，图3为一种第二层能量管理策略中功率协调控制示意图，来说明本发明提供的一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，船舶混合动力系统包括燃料电池系统和储能系统，燃料电池系统包括多堆燃料电池，包括：[0034] 构建总氢耗量最小约束，求解燃料电池系统的分配功率和储能系统的分配功率；根据燃料电池系统的分配功率和储能系统的分配功率对燃料电池系统和储能系统进行功率分配；[0035] 分别获取燃料电池在额定电流的电压值，根据电压值从小到大的顺序对多堆燃料电池进行排序构成启用顺序；将燃料电池系统的分配功率平均分配给多堆燃料电池，多堆燃料电池按照启用顺序进行启动。[0036] 需要说明的是，在本实施例中储能系统为锂电池，当然，并不限于此。参照图1，燃料电池通过单向DC/DC变换器连接直流母线，锂电池通过双向DC/DC变换器连接直流母线，通过锂电池消耗燃料电池输出的多于负载或者输出燃料电池输出后不足的负载，实现“削峰填谷”的作用。对于船舶混合动力系统，搭建多堆燃料电池?锂电池模型，搭建变换器及其控制模型，具体包括：通过燃料电池电压方程，搭建燃料电池的电压模型，搭建蓄电池Rint模型，由大致负载情况对燃料电池和蓄电池进行选型；搭建变换器模型，实现对变换器的恒压/恒流控制。基于总氢耗量最小约束，通过等效氢耗最小策略公式进行计算，得出燃料电池最佳输出功率，再经由对燃料电池所限制的功率区间对燃料电池的功率进行调整，以此来保证燃料电池的放电效率，燃料电池的最佳输出功率可由如下计算得出：[0037][0038][0039] 其中， 为燃料电池平均燃料消耗量， 为锂电池平均放电效率， 为锂电池平均充电效率， 为燃料电池平均输出功率， 、 分别为锂电池最小、最大电压，为燃料电池氢气消耗量与输出功率近似正相关系数， 、 为锂电池的放电、充电的内阻， = ， = ，其中， 为锂电池开路电压。[0040] 可以理解的是，本实施例提供的一种基于模型预测的多堆燃料电池船舶能量管理方法，通过两层能量管理策略，第一层为燃料电池系统与储能系统之间的能量管理策略，对船舶负载功率进行分配，实现燃料电池与储能系统之间的功率协调控制，第二层为多堆燃料电池之间的能量管理策略，将第一层输出的燃料电池系统的需求功率作为输入，通过对各燃料电池堆的退化程度的评价与估算，进一步将燃料电池系统的功率进行分配，实现多堆燃料电池之间的功率协调控制，可以在减少燃料电池船舶燃料消耗的同时，减少燃料电池负载的波动，实现性能不一致的燃料电池堆之间的合理的功率分配，使燃料电池尽可能地拥有相同地服役时间，提高燃料电池系统地稳定性。[0041] 在一些可选的实施例中，继续参照图2，总氢耗量最小约束按照以下方式计算：[0042][0043] 其中， 为燃料电池的输出功率最小值， 为燃料电池的输出功率最大值，为储能系统的荷电状态下限， 为储能系统的荷电状态上限， 为储能系统的电压最小值， 为储能系统的电压最大值， 为储能系统的实时荷电状态，为修正系数， 为燃料电池输出功率， 为储能系统电压， 为等效氢耗最小时对应的燃料电池输出功率， 为混合动力系统氢气消耗量， 为燃料电池氢气消耗量， 为储能系统氢气消耗量。[0044] 需要说明的是，设置修正系数 ，确保储能系统的荷电状态处于合适的水平。以储能系统为锂电池为例，参照图2，混合动力系统的瞬时氢气优化问题可以描述为如何控制燃料电池和锂电池的输出功率使得系统的总氢耗量最。ü缰械哪芰拷械刃，并将其能量转化为氢气的消耗量，使其与燃料电池的氢气消耗具有可比性，通过控制燃料电池输出功率和船舶需求功率之间的关系，来使得单位控制周期内系统氢气消耗最小。通过搭建等效氢耗最小策略模型，通过改变锂电池荷电状态和负载，计算出氢耗最小情况下的等效氢耗中的等效系数，为面对实际负载时的实时计算提供结果。通过预测负载与所计算的等效系数，通过等效氢耗最小策略实时分配船舶燃料电池混合动力系统中的燃料电池系统与储能系统的需求功率。[0045] 可以理解的是，通过等效氢耗最小策略对船舶燃料电池混合动力系统进行功率分配时，通过离线计算的船舶负载与蓄电池荷电状态与等效氢耗策略中的等效系数的关系，进一步减少船舶燃料电池混合动力系统的燃料消耗。[0046] 在一些可选的实施例中，修正系数按照以下方式计算：[0047][0048] 其中， 为参数，0.1≤ ≤1。[0049] 可以理解的是，在等效氢耗最小策略中，参数 与 影响船舶混合动力系统中燃料电池系统与储能系统（锂电池）之间的功率分配，且二者与船舶负载影响着船舶的等效氢耗的大。臼凳├峁┐叭剂系绯鼗旌隙ο低车刃夂挠氩问 、 、船舶负载之间的关系如表1所示：[0050] 表1.参数 、 、船舶负载之间的关系表[0051][0052] 根据表1，可通过船舶负载与 确定实时的参数 ，达到进一步减少燃料电池等效氢耗的目的。[0053] 在一些可选的实施例中，继续参照图2，根据燃料电池系统的分配功率和储能系统的分配功率对燃料电池系统和储能系统进行功率分配之后，还包括：[0054] 对船舶负载实时采样得到第k时刻负载，采用基于时间序列的模型预测方法根据第k时刻负载进行第k+1时刻负载预测，采用调整系数对第k+1时刻预测结果进行修正，得到第k+1时刻修正后的预测负载；[0055] 根据第k+1时刻修正后的预测负载对燃料电池的输出功率进行限制。[0056] 可以理解的是，由于在船舶靠港、离港、启动时将会面临较大的负载波动情况，导致经由等效氢耗最小策略得出的燃料电池的需求功率同样存在较大的功率波动，从而加快燃料电池的退化，加速燃料电池的寿命衰减，为减缓这一情况，本实施例采用模型预测控制，通过对船舶负载的实时采样，进行预测，通过预测负载、实时负载对燃料电池需求功率的调整，限制燃料电池的负载波动。但是由于采用基于时间序列的模型预测方法，在面对较大波动的负载时，会使预测结果与实际数据相差较大，通过类正态分布函数对预测数据进行修正，减小预测所造成的误差，避免预测负载过于偏离实际负载，保证预测负载的准确性。类正态分布函数即求调整系数，调整系数按照以下方式计算：[0057][0058] 其中， 为调整系数，为调控系数，以保证 的范围在0?1之间， 为标准差， 为概率密度函数均值，为第k+1时刻负载与第k+1时刻预测结果的差值。[0059] 在一些可选的实施例中，根据第k+1时刻修正后的预测负载对燃料电池的输出功率进行限制，按照以下方式计算：[0060][0061] 其中， 为在第k+1时刻时，燃料电池的参考输出功率， 为在第k时刻时，燃料电池的参考输出功率， 为调节输出， 为船舶的实时负载， 为第k+1时刻修正后的预测负载。[0062] 可以理解的是，将预测负载与实时负载在预测时，分别进行延时，可得出第k时刻时，第k?1时刻的实时负载与第k?1时刻修正后的预测负载的插值，从而对燃料电池的负载变化作出限制。[0063] 在一些可选的实施例中，继续参照图3，分别获取燃料电池在额定电流的电压值，根据电压值从小到大的顺序对多堆燃料电池进行排序构成启用顺序；将燃料电池系统的分配功率平均分配给多堆燃料电池，多堆燃料电池按照启用顺序进行启动。[0064] 具体的，采用平均分配法，将由第一层得到的燃料电池的最佳燃料电池输出功率进行平均分配，并且设计当负载功率较小时燃料电池的启停策略，通过采集燃料电池在额定电流下的电压值，对比得出燃料电池的退化程度并优先选择使用，且负载较低时在较短时间内使燃料电池进入热待机状态，时期输出功率为0kW，若燃料电池较长时间处于热待机状态，则使该燃料电池停机。[0065] 本发明方法通过实时预测船舶航行时的负载情况；模型预测控制与等效氢耗策略的结合；限值燃料电池的功率输出区间；获取燃料电池系统在等效氢耗最小情况下的请求功率；依据所得请求功率计算单堆燃料电池的需求功率；分配所述需求功率至对应的燃料电池系统。本发明结合模型预测控制与等效氢耗最小策略进行燃料电池与储能系统、多堆燃料电池之间的实时输出功率的分配，实现了资源的有效利用，减少了燃料的消耗，节约了多堆燃料电池系统的经济成本。[0066] 上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。[0067] 在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。[0068] 最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

专利地区：浙江

专利申请日期：2024-08-16

专利公开日期：2024-11-05

专利公告号：CN118636752B