[发明专利]动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法

说明书

本发明公开动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法，对动车组动力系统参数配置和选型；分析并量化每种工况引起的寿命衰减率，获得多堆燃料电池的实时剩余寿命，并定义燃料电池系统微衰减比；将每个燃料电池系统视为智能体，建立多堆燃料电池发电系统模型，并采用特征值扰动法分析一致性控制理论的反馈系数与通信网络矩阵对收敛速度的影响，获得具有最快收敛速度的参数组合；结合功率平衡及各并联燃料电池系统发电的约束条件，利用基于多智能体的一致性控制算法，通过局部供需功率不匹配值和微衰减比的差值，相互迭代更新，实现不同初始老化状态的燃料电池的剩余寿命逐渐达到一致，以及某套设备停机的故障修复及修复后“即插即用”。

技术领域

本发明属于车载燃料电池技术领域，特别是涉及动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法。

背景技术

在燃料电池列车领域内，国内外已先后研制成功了机车和城市有轨电车车型等。目前研究重点则主要集中于具有更高速度等级、更高载重水平和更高技术难度的中低速城际动车组。动车组列车牵引功率较高，甚至可达MW级别，而目前还未有燃料电池电堆可达该功率级别。因此在燃料电池动车组中，常常采用多个燃料电池并联组成多堆燃料电池发电系统，并辅以蓄电池等储能设备组成混合动力系统作为动车组的牵引动力。

燃料电池的耐久性和剩余使用寿命是其一项关键指标，目前未有研究实现对各个电堆剩余使用寿命一致性的控制目标，也未能实现系统的“即插即用”特性。虽然基于优化控制的方法能够一定程度上改善多堆系统的一致性，但需要系统集成一个中央控制器来进行复杂的运算，当电气故障或通讯故障发生时，则难以保证系统的安全稳定运行。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法，解决了多堆燃料电池的子堆老化程度不同导致的终止寿命差异性问题，实现各个电堆的剩余使用寿命一致，延长多堆燃料电池系统整体服役寿命，并对算法关键参数进行了离线最优化设计，使一致性算法在线收敛速度可以达到全局最优。针对多堆燃料电池发电系统运行中可能出现的某套设备停机进行故障修复及修复完成而切出/切入母线的问题，通过分布式控制实现了多堆燃料电池发电系统“即插即用”功能，使故障态下的系统仍可满足供需平衡关系，保证了列车组在电气故障态下的安全运行，提高了系统可靠性。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：动车组多堆燃料电池系统剩余使用寿命一致性控制方法，包括步骤：

S10,基于目标动车组的技术参数，根据动车组加速、最高速、怠速以及制动等工况下的功率及电量需求，在满足列车轴重限制以及空间限制的情况下，对动车组动力系统参数配置和选型；

S20,分析引起车载燃料电池系统寿命衰减的主要四种运行工况，并量化每种工况引起的寿命衰减率，从而获得多堆燃料电池的实时剩余寿命，并定义燃料电池系统微衰减比；

S30,基于图论的通信网络拓扑结构，将每个燃料电池系统作为智能体，建立多堆燃料电池发电系统模型，并采用特征值扰动法分析一致性控制算法的反馈系数与通信网络矩阵对收敛速度的影响，获得具有最快收敛速度的参数组合，使一致性算法在线收敛速度可以达到全局最优；

S40,结合功率平衡及各并联燃料电池系统发电的约束条件，基于多个智能体的一致性控制算法，通过局部供需功率不匹配值和所定义的燃料电池系统微衰减比的差值，相互迭代更新，获得不同初始老化状态的燃料电池的剩余寿命逐渐达到一致。

进一步的是，动车组采用四动四拖结构，每一组动拖结构组成一个动力单元，每个动力单元的直流侧均为一套单独的混合动力系统，并且经由一个牵引逆变器驱动四个交流异步牵引电机；所述混合动力系统包括多堆燃料电池发电系统和蓄电池储能系统，其中每一台燃料电池系统均是通过一个单向DC/DC变换器连接至直流母线，蓄电池储能系统直接与直流母线相连；运行过程当中，由能量管理控制器将负载功率在多堆燃料电池发电系统和蓄电池储能系统之间进行分配。

进一步的是，在对动车组动力系统参数配置和选型过程中，