[发明专利]一种基于模型预测的多电飞机混合能源能量管理系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于模型预测的多电飞机混合能源能量管理系统及方法，用于解决常用能量管理策略对于以三级式发电机作为主电源的混合能源系统具有局限性和适用性差的问题。技术方案是建立由三级式发电机、锂离子电池、超级电容器、AC/DC变换器和双向DC‑DC变换器组成的混合能源系统架构，将各分布式单元的功率及SOC接口作为模型预测控制算法的前端输入。当负载突变时，控制算法通过在线求解获得系统当前采样时刻的最优控制增量序列，从而控制系统优化运行。本发明保证了发电机输出电压波动小、输出功率平稳，并且锂电池和超级电容的SOC均处于安全运行的区间，使模型具有较强的实用性。

技术领域

本发明属于能量管理领域，具体涉及一种基于模型预测的多电飞机混合能源能量管理系统及其执行方法。

背景技术

随着飞机电气化程度不断增加，多电飞机采用了越来越多的电力系统作为其二次能源系统，因此多电飞机需要大容量的供电系统。270V高压直流系统极大地增加了供电容量，并且具有电网质量轻，易实现不中断供电的特点，已在军用多电飞机F35和F22上得到了应用。为了实现可靠的270V供电，多电飞机通常采用混合能源供电模式。不同能源系统间的电能需要合理管理才能保证多电飞机安全稳定的运行，常用于多电飞机混合能源系统的能量管理策略有状态机控制策略、模糊逻辑控制策略、经典PI控制策略和等效燃料消耗最小策略。

文献“Wang T,Qi L,Chen W,et al.Application of energy managementstrategy based on state machine in fuel cell hybrid power system[C]//2017IEEETransportation Electrification Conference and Expo,Asia-Pacific(ITEC Asia-Pacific). IEEE,2017.”针对空气冷却燃料电池和锂电池结合的混合能源系统，提出了一种基于状态机的能量管理策略。该策略以开关规则控制为基础，根据负载功率需求和锂电池的SOC确定每个电源系统的参考输出功率，可以满足不同负荷功率的需求，并实现能量的动态分配。但对于系统的不同初始条件，状态机控制策略的控制效果差异大，适应性差。

文献“Xie C，Xu X,Bujlo P,et al.Fuel cell and lithium iron phosphatebattery hybrid powertrain with an ultracapacitor bank using direct parallelstructure[J]. Journal of Power Sources,2015,279:487-494.”针对燃料电池、磷酸锂电池和超级电容并联的混合能源系统，提出了一种基于模糊逻辑控制的能量管理策略，实现了稳定直流总线电压的目的。但模糊逻辑控制策略的控制精度低，动态品质差，缺乏系统性。

文献“Motapon S N,Dessaint L A,Al-Haddad K.A Comparative Study ofEnergy Management Schemes for a Fuel-Cell Hybrid Emergency Power System ofMore-Electric Aircraft[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,61(3):1320-1334.”指出基于PI控制的能量管理策略可以实现在线优化，以保证燃料电池系统稳定提供负载所需功率。但经典PI控制策略会降低系统的相对稳定性，而且它的参数整定困难，不易调节，适用性低。