本發(fā)明涉及燃料電池，具體涉及一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的混合能源系統(tǒng)的調(diào)度方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著化石燃料的廣泛使用，氣候變化問題日益嚴(yán)峻，開發(fā)清潔能源以替代傳統(tǒng)燃料的需求不斷增加。質(zhì)子交換膜燃料電池(pem)作為一種清潔能源技術(shù)，因其高功率密度、適宜的工作溫度和易于擴(kuò)展等特性，在微電網(wǎng)發(fā)電等應(yīng)用中顯示出巨大潛力。這種電池通過氫和氧的反應(yīng)產(chǎn)生電力，同時(shí)只生成水和熱，被視為未來能源解決方案的重要部分?，F(xiàn)有的質(zhì)子交換膜燃料電池尚未廣泛商業(yè)化，主要受限于電池的耐用性問題，因此常將其與其他能源一起構(gòu)建為混合能源系統(tǒng)?；谌剂想姵氐幕旌夏茉聪到y(tǒng)包括兩個(gè)或多個(gè)能源系統(tǒng)，通常包括多堆燃料電池、電池或超級電容器。在多能源系統(tǒng)中，如何合理分配不同能源系統(tǒng)的能量和功率，成為提高整體系統(tǒng)效率的關(guān)鍵。

2、目前，混合能源系統(tǒng)的能源管理策略(ems)主要分為三類：基于規(guī)則、基于優(yōu)化和基于學(xué)習(xí)?；谝?guī)則的ems因其易于實(shí)施和良好的實(shí)時(shí)性而在實(shí)際應(yīng)用中被廣泛采用。動(dòng)態(tài)規(guī)劃(dp)作為基于優(yōu)化策略的一種，理論上能提供全局最優(yōu)解，常作為其他策略的基準(zhǔn)。而基于學(xué)習(xí)的方法則嘗試通過機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)來優(yōu)化能源管理。

3、盡管這些策略在一定程度上提高了混合能源系統(tǒng)的能源利用效率，但它們?nèi)源嬖谥窒扌?。在多堆燃料電池系統(tǒng)(mfcs)中，現(xiàn)有的功率分配策略主要關(guān)注于最小化燃料消耗和提高運(yùn)行效率，而忽視了電池衰減管理和啟停階段的恢復(fù)特性。這些策略未能全面考慮經(jīng)濟(jì)性、耐用性以及電池健康狀態(tài)的適應(yīng)性，導(dǎo)致系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中存在效率和壽命的瓶頸。因此，需要一種新的ems和控制方法，以簡化工況復(fù)雜性，減少系統(tǒng)波動(dòng)，延長mfcs的壽命，并在衰減上實(shí)現(xiàn)一致性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提出了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的混合能源系統(tǒng)的調(diào)度方法及系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有的能源管理策略沒有考慮多堆燃料電池在使用過程中的衰減情況的問題。

2、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的混合能源系統(tǒng)的調(diào)度方法，包括以下步驟：

3、步驟s1：獲取用戶需求功率，由混合能源系統(tǒng)中的多堆燃料電池提供用戶需求功率，由鋰電池提供混合能源系統(tǒng)的實(shí)際需求功率與用戶需求功率之間的差異功率；

4、步驟s2：根據(jù)所述用戶需求功率與多堆燃料電池的最優(yōu)工作功率的范圍，確定每個(gè)時(shí)間段內(nèi)需要工作的燃料電池的數(shù)量閾值；

5、步驟s3：在每個(gè)時(shí)間段內(nèi)：對所述數(shù)量閾值內(nèi)的所有電堆組合進(jìn)行功率分配，以最小化混合能源系統(tǒng)的衰減為目標(biāo)，得到最優(yōu)電堆組合。

6、優(yōu)選地，步驟s1中所述獲取用戶需求功率包括以下步驟：根據(jù)混合能源系統(tǒng)的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對用戶側(cè)的用電功率進(jìn)行聚類，得到多種典型工況下的用戶需求功率，計(jì)算當(dāng)前工況與每種典型工況的相似度，將與當(dāng)前工況相似度最高的典型工況下的用戶需求功率作為當(dāng)前工況的用戶需求功率。

7、優(yōu)選地，所述對用戶側(cè)的用電功率進(jìn)行聚類，得到多種典型工況下的用戶需求功率包括以下步驟：

8、步驟s11：隨機(jī)選擇u個(gè)初始聚類中心；

9、步驟s12：計(jì)算用戶側(cè)的用電功率中的每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與每個(gè)所述聚類中心的距離，將每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)分配給最近的聚類中心，得到多個(gè)聚類；

10、步驟s13：計(jì)算每個(gè)所述聚類中所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的均值，利用所述均值更新聚類的質(zhì)心；

11、步驟s14：更新聚類中心的數(shù)量u，重復(fù)步驟s12至步驟s13；

12、步驟s15：分別計(jì)算每種u下的聚類指標(biāo)，將所述聚類指標(biāo)最小時(shí)的u作為最佳聚類數(shù)量，計(jì)算所述聚類指標(biāo)s的表達(dá)式為：

13、

14、nu＝ns+1

15、式中，α1、α2、α3表示各聚類指標(biāo)的權(quán)重；eu,ave為相對誤差平均值；cu為工況復(fù)雜度；nu為電池劃分量；xu為第u個(gè)聚類中數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量；表示歸一化后的相對誤差平均值、工況復(fù)雜度和電池劃分量；xu(i)為第u個(gè)聚類中的第i個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；zu為第u個(gè)質(zhì)心；pcul(t)為t時(shí)刻的用戶用電功率；ns為多堆燃料電池的電堆總數(shù)；t為采集的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的總時(shí)間；

16、步驟s16：利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法約束鋰電池的輸出功率的范圍和荷電狀態(tài)大小，對聚類結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。

17、優(yōu)選地，步驟s2包括以下步驟：

18、步驟s21：根據(jù)用戶需求功率和單個(gè)電堆的額定最大功率，計(jì)算為滿足用戶需求功率所需的最小電堆數(shù)目mopt,min：

19、

20、式中，為ji時(shí)刻下工作的電堆個(gè)數(shù)；為電堆處于高效率運(yùn)行時(shí)的最大功率；pd(ji)為ji時(shí)刻的用戶需求功率；為向上取整；

21、步驟s22：根據(jù)用戶需求功率和單個(gè)電堆的額定最小功率，計(jì)算為滿足用戶需求功率所需的最大電堆數(shù)目mopt,max：

22、

23、式中，為ji時(shí)刻下工作的電堆個(gè)數(shù)；為電堆處于高效率運(yùn)行時(shí)的最小功率；為向下取整；

24、步驟s23：根據(jù)所述最小電堆數(shù)目和所述最大電堆數(shù)目得到每個(gè)時(shí)間段內(nèi)需要工作的電堆的數(shù)量閾值[mopt,min,mopt,max]。

25、優(yōu)選地，步驟s3包括以下步驟：

26、步驟s31：獲取需要工作的電堆的數(shù)量閾值內(nèi)的所有電堆組合；

27、步驟s32：建立包括衰減一致性、工作效率最大化的多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)；

28、步驟s33：求解所述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，分別對所有電堆組合中的每個(gè)電堆進(jìn)行功率分配；

29、步驟s34：計(jì)算各電堆組合的衰減值，選擇衰減值最小的電堆組合作為最優(yōu)電堆組合。

30、優(yōu)選地，步驟s32中所述衰減一致性的表達(dá)式為：

31、

32、式中，jdec1為衰減一致性函數(shù)；為ji時(shí)刻第k個(gè)電堆的負(fù)荷分配比；m為ji時(shí)刻工作的電堆總數(shù)；為ji時(shí)刻第k個(gè)電堆的衰減值；r0,k為第k個(gè)電堆的初始電阻值；為ji時(shí)刻第k個(gè)電堆的累積衰減值；為ji時(shí)刻多堆燃料電池的平均衰減值。

33、優(yōu)選地，步驟s33中對所述多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行求解時(shí)，還設(shè)定了約束條件，所述約束條件的表達(dá)式為：

34、

35、式中，為ji時(shí)刻第k個(gè)電堆的負(fù)荷分配比；ns為多堆燃料電池的電堆總數(shù)；pfc,min為電堆的最小功率；pfc,max為電堆的最大功率；γk為第k個(gè)電堆的負(fù)荷分配比；pfc,k為第k個(gè)電堆的輸出功率。

36、優(yōu)選地，步驟s32中所述工作效率最大化的表達(dá)式為：

37、

38、式中，jdec2為工作效率函數(shù)；為ji時(shí)刻第k個(gè)電堆的負(fù)荷分配比；ηtotal為混合能源系統(tǒng)的總效率；pd(ji)為ji時(shí)刻的用戶需求功率；ns為多堆燃料電池的電堆總數(shù)；ηk為第k個(gè)電堆的效率；a0、a1、a2、a3、a4分別為多項(xiàng)式擬合參數(shù)；pfc,k為第k個(gè)電堆的凈輸出功率。

39、優(yōu)選地，步驟s34中所述計(jì)算各電堆組合的衰減值，包括以下三種情況：

40、(1)當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻的啟停狀態(tài)和ji時(shí)刻的啟停狀態(tài)一致，且處于高功率運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，令rk(j+1)＝δrδl+δrl，其中rk(j+1)為第k個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻的衰減值，δrδl為燃料電池處于高功率運(yùn)行δtl的衰減值，δrl為燃料電池以高功率運(yùn)行δtl的累積衰減值；當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻的啟停狀態(tài)和ji時(shí)刻的啟停狀態(tài)一致，且處于停止/怠速狀態(tài)時(shí)，將其在ji時(shí)刻的衰減值作為ji+1時(shí)刻的衰減值；

41、(2)當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻由ji時(shí)刻的停止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，令δrk(j+1)＝δrss+δrδl+δrl，其中δrss為燃料電池啟停引起的衰減增量；當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻由ji時(shí)刻的怠速狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫\(yùn)行狀態(tài)時(shí)，令δrk(j+1)＝δrδl+δrl；

42、(3)當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻由ji時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榈∷贍顟B(tài)時(shí)，令δrk(j+1)＝δrl+δrid，其中δrid為燃料電池怠速引起的衰減增量；當(dāng)?shù)趉個(gè)電堆在ji+1時(shí)刻由ji時(shí)刻的運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥Ｖ範(fàn)顟B(tài)時(shí)，令δrk(j+1)＝δrss-δrir，其中δrir為燃料電池的不可逆衰減值。

43、本發(fā)明還提供了一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的混合能源系統(tǒng)的調(diào)度系統(tǒng)，基于上述的一種基于多目標(biāo)優(yōu)化的混合能源系統(tǒng)的調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)，包括數(shù)據(jù)采集模塊、能量管理模塊、功率分配模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊；

44、所述數(shù)據(jù)采集模塊，用于實(shí)時(shí)收集和存儲混合能源系統(tǒng)的功率需求數(shù)據(jù)以及多堆燃料電池和鋰電池的運(yùn)行參數(shù)數(shù)據(jù)；

45、所述能量管理模塊，用于根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊采集得到的數(shù)據(jù)，對多堆燃料電池和鋰電池進(jìn)行功率分配，使多堆燃料電池和鋰電池共同滿足混合能源系統(tǒng)的功率需求；

46、所述功率分配模塊，用于將能量管理模塊分配給多堆燃料電池的功率需求分配給每個(gè)電堆，實(shí)現(xiàn)不同電堆之間的負(fù)載平衡，使混合能源系統(tǒng)的效率最大化、衰減最小化；

47、所述狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控混合能源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，檢測異常情況。

48、本發(fā)明的有益之處至少包括：

49、1、通過確定每個(gè)時(shí)間段內(nèi)需要工作的燃料電池的數(shù)量閾值，減少了電堆的啟停次數(shù)，避免了不必要的電堆啟動(dòng)，減少了系統(tǒng)的總體能耗和電堆的磨損；

50、2、通過最小化混合能源系統(tǒng)的衰減，有助于延長電堆的使用壽命，降低維護(hù)成本，并提高系統(tǒng)的可靠性；

51、綜上所述，本發(fā)明的方法不僅根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整電堆的工作組合和功率分配，提高了系統(tǒng)對變化條件的適應(yīng)性，確保在不同工況下都能維持高效運(yùn)行，而且綜合考慮了電堆和電池的衰減、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)的優(yōu)化。