潜艇燃料电池混合电源系统的自寻优协调控制研究

A submarine drived by a fuel cell, ultracapacitor and battery hybird power has the advantages of long operating time and good camouflage. It is becoming a hot research area. It's important to optimize energy stream among the energy sources, enhance dynamic response ability and guarantee power quality. Load of a submarine often fluctuates frequently, which causes the hybrid power operates under nonstationary state. Therefore, it doesn't meet condition for small-signal modelling theory. To slove these problems: 1) Establish varying operating point linear model that can be used to design linear controller, optimizing state transfer model and build mixed logic model; 2) Establish global objective fuction according the load, optimize local objective fuction based on BOOL variable and multi- agent, and research distributed self- optimizing control for energy stream; 3) Research multi- objective adaptive coordinate control for multi- inverter based on master and slave mode and guarantee stability and balance of the inverter.

潜艇以燃料电池、超级电容和蓄电池构成的混合电源为动力具有隐蔽性强、潜航时间长等显著优点，已引起世界各国的高度关注。优化控制燃料电池、超级电容和蓄电池间的能量流，提高动态响应能力，保证供电品质是一个关键问题。潜艇负载功率波动剧烈，导致混合电源长期工作在非平稳态，其建模与控制不能满足现有小信号理论的假设条件。针对这些问题：1)建立电力电子装置等主要部件的等效变工作点线性模型，以便于用线性方法进行优化设计；优化混合电源系统的状态转移模型，在此基础上综合出系统的混杂逻辑动态模型；2)根据负载需求及能量源的特性，构造能量流的总体优化目标函数，创新性地提出基于布尔变量和多智能体方法构建及调整局部目标函数，在此基础上研究能量流的分布式自寻优控制策略，保证状态的平稳过渡和能量流的优化分配；3）基于主从模式，研究多逆变器输出电压、电流的多目标自适应协调控制，保证三相交流输出电压的稳定和相电压的平衡。

燃料电池具有工作温度低，连续运行时间长，能量效率高，零排放等显著优点，由燃料电池、超级电容和蓄电池构成燃料电池混合电源系统为动力驱动潜艇，隐蔽性强、潜航时间长，已引起世界各国的高度关注。混合电源中的燃料电池、超级电容和蓄电池间具有不同的特性及功率变化梯度，优化控制三者间的能量流，提高混合电源系统的整体动态响应能力，保证供电品质是一个关键问题。潜艇负载功率波动剧烈，导致混合电源长期工作在非平稳态，其建模与控制不能满足现有小信号理论的假设条件。本项目针对这些问题，开展燃料电池混合电源系统建模与控制研究，取得了以下成果：.(1)建立了燃料电池混合电源系统DC/DC变换器、逆变器等电力电子装置及燃料电池、超级电容等能量源的等效变工作点线性模型，基于该模型可用线性系统方法对系统进行优化控制；建立了混合电源系统的状态转移模型，结合等效线性模型综合出混合电源系统的混杂模型；.(2)根据负载需求及能量源的特性，构造了能量流的总体优化目标函数，提出了能量流的分布式自寻优控制策略，保证状态的平稳过渡和能量流的优化分配；.(3)基于主从模式，提出了潜艇微电网多逆变器输出电压、电流的多目标自适应协调控制,设计了面向不平衡电压补偿的相间互连逆变器拓扑结构，保证三相交流输出电压的稳定和相电压的平衡。. 项目成果形成了一套潜艇用燃料电池混合电源系统的建模与控制技术，为该类混合电源在水下舰船中的应用奠定了基础。