近年来，交通行业持续推进能源供给侧改革，对清洁、高效、无污染的能源需求比例越来越高，研究和发展交通绿色供电技术刻不容缓。以氢燃料电池为代表的氢能技术凭借其低噪声、高能量密度等优势受到了学术界和工业界的广泛关注。然而，燃料电池（FC）存在动态响应较慢、不能进行能量回收、难以适应交通系统的多工况用能需求，需辅以电池（BAT）或超级电容（SC）等响应较快的储能单元结合电力电子变换器构成混合供电系统（HPSS），以提升供电灵活性。

混合供电系统的核心技术之一是通过对电力电子变换器控制器的设计实现母线电压稳定及负载功率在不同供电源间的动态分配。然而，随着越来越多的新型多时间尺度、强脉动（电磁武器、飞行器舵面）、恒功率（伺服驱动系统）电气化负荷接入混合供电系统，大量跨时间尺度、跨功率等级的源荷交织在一起，采用常规线性控制方法（如PID控制）难以保证系统的大信号稳定性。此外，传统集中式功率分配控制方法也难以满足多场景用电条件下热插拔、冗余拓展以及再生能量的无损消纳等需求。

针对传统线性控制方法难以保证系统的大信号稳定性，而现有非线性控制的研究仍缺乏兼顾稳定性和动态性能的控制参数设计方法的问题，重庆大学自动化学院等单位的敖文杰、陈家伟等学者，对燃料电池-锂电池混合供电系统设计基于无源控制和扩张高增益状态观测器的复合控制方法，并对控制器和观测器参数进行了设计，有效地保证了系统的动静态性能。

图1 燃料电池-锂电池混合供电系统结构

他们设计了针对Boost变换器的无需考虑负荷类型的无源控制器，将参数不确定性视为扰动并用观测器进行估计并补偿，运用经典控制理论建立端口变换器、PBC控制器、扩张高增益状态观测器（EHGSO）的小信号模型。

图2 燃料电池-锂电池混合供电系统控制架构

此外，研究者还分析了系统参数与系统动态性能、稳定性的关联关系，在无需考虑负载模型的前提下以线性控制器设计方法设计了非线性控制器参数，提出了兼顾系统动态性能的参数整定方法，并在实验室搭建一套额定功率为3 kW的燃料电池-锂电池混合供电系统实验平台进行测试。

图3 燃料电池-锂电池混合供电系统实验平台

实验结果表明，实际的动态性能指标与设计值基本一致，系统的动态性能与抗干扰能力、稳定性指标得到了兼顾。以这种方式去整定复合控制器的参数，可满足未来多场景用电条件下对混合供电系统稳定性、动态功率分配、动态性能等需求，所提参数整定方法在以燃料电池为主动力源的混合供电系统中具有较好的应用前景。后续研究将考虑各个控制参数之间的耦合关系，简化设计步骤，综合考虑源-荷-控制器-观测器进行优化设计。

本工作成果发表在2024年第2期《电工技术学报》，论文标题为“燃料电池-锂电池混合供电系统的无源控制策略及参数设计方法”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。