基于PLC的燃料電池備用電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究

荊婷婷，康　迪

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

基于PLC的燃料電池備用電源監(jiān)控系統(tǒng)的研究

荊婷婷，康迪

(石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035)

根據(jù)燃料電池備用電源的特性，提出一種基于可編程邏輯控制器(PLC)的燃料電池備用電源監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了備用電源的不間斷切換，從而保證了系統(tǒng)穩(wěn)定電能輸出。經(jīng)過實際測試，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)預(yù)設(shè)目的，具有一定的推廣價值。

可編程邏輯控制器；燃料電池；備用電源

為了提高用電的可靠性，在醫(yī)院、銀行等特殊部門都會備有直流供電設(shè)備。這些設(shè)備需要在供電中斷的數(shù)小時甚至數(shù)天的時間內(nèi)提供穩(wěn)定可靠的電能輸出。現(xiàn)在一般的備用電源主要有柴油發(fā)電機和鉛酸蓄電池。柴油發(fā)電機噪聲大，環(huán)境污染嚴重，且不能夠作為不間斷供電的備用電源；鉛酸蓄電池體積大質(zhì)量重，并且儲能有限，同樣不能長時間使用。鑒于傳統(tǒng)的備用電源的不足，研發(fā)一種環(huán)保、無噪聲、占地面積小、儲能高并且可以提供不間斷供電的備用電源逐漸受到了業(yè)界的關(guān)注。

燃料電池是一種由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置，其轉(zhuǎn)化過程中不經(jīng)過燃燒反應(yīng)所以不受卡諾循環(huán)的限制，轉(zhuǎn)化效率高[1]。燃料電池消耗的能源多為氫氣以及沼氣，不排放污染氣體，具有良好的環(huán)境親和性。燃料電池工作時噪音遠遠低于柴油發(fā)電機，并且在同樣功率下燃料電池的能量密度遠高于鉛酸蓄電池。除此之外，燃料電池還具有啟動快，供電持續(xù)時間長，直流輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，被認為是備用電源發(fā)展的未來。

雖然燃料電池具有這么多的優(yōu)點，但是也存在著輸出特性較軟，啟動時需要輔助電源等缺點。針對燃料電池的不足，本設(shè)計提出一種燃料電池為主，外加輔助電源的燃料電池備用電源系統(tǒng)，并根據(jù)燃料電池的特性，提出基于PLC的監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過監(jiān)控市供電網(wǎng)絡(luò)的供電狀態(tài)、蓄電池的荷電狀態(tài)(SOC)以及負載功率的需求等功能實現(xiàn)燃料電池備用電源的不間斷切換、蓄電池的智能充放電管理以及負載的動態(tài)補償。

1　燃料電池備用電源的整體設(shè)計

根據(jù)燃料電池本身的特性，提出的燃料電池備用系統(tǒng)主要有燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、AC/CD變換器、蓄電池充電管理單元等組成，系統(tǒng)的具體結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1　燃料電池備用電源結(jié)構(gòu)模型

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要包括反應(yīng)劑的供給系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)以及安全裝置和電能的控制系統(tǒng)等，其中電能控制系統(tǒng)主要負責(zé)檢測燃料電池的運行狀態(tài)以及電壓、電流、溫度的數(shù)據(jù)采集。由于燃料電池發(fā)電為直流電，所以在交流負載使用時需要逆變器進行逆變。蓄電池充電管理單元主要負責(zé)蓄電池的充放電管理工作。系統(tǒng)控制單元是整個系統(tǒng)的運行核心，負責(zé)管理各個模塊的正常運行，采集系統(tǒng)參數(shù)，實現(xiàn)不間斷的電源切換等等。

2　系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)

本文主要研究燃料電池備用電源的監(jiān)控系統(tǒng)，對于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)和蓄電池的充放電系統(tǒng)不再進行詳細的介紹。該監(jiān)控系統(tǒng)主要的任務(wù)是對供電狀態(tài)進行檢測、對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟停控制、參數(shù)采集、蓄電池充放電的啟停控制以及遠程監(jiān)控等功能。

2.1基于PLC的設(shè)計

可編程邏輯控制器(PLC)是一種帶有指令存儲器、以位運算為主的，可以完成邏輯與算數(shù)運算、定時計數(shù)功能的面向機械或者工業(yè)生產(chǎn)的自控裝置。與其他的工業(yè)控制裝置相比較，PLC具有高可靠性和優(yōu)良的通用性的特點[2]。

PLC的工作流程大體可以分為輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段，完成這個過程稱為完成一個掃描周期。針對燃料電池的特點，本設(shè)計提出基于PLC的設(shè)計如圖2所示。

圖2　基于PLC的設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

在燃料電池備用系統(tǒng)中，采集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)，通過PLC實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，以獲得數(shù)字量。這些數(shù)字量通過PLC的初步處理并將處理結(jié)果利用PLC的網(wǎng)絡(luò)與通信功能進行傳輸，傳送到遠程的服務(wù)器客戶端進而實現(xiàn)進一步的管理控制。

除此之外，由于燃料電池備用系統(tǒng)的所處環(huán)境比較復(fù)雜，所以對于控制模塊穩(wěn)定性有較高的要求。PLC的輸入輸出設(shè)備都是采用光耦合器件，這樣使得PLC的內(nèi)部電路與外部電路在電氣上直接隔離，減少了外部電路對PLC內(nèi)部電路的影響。PLC的電源系統(tǒng)與I/O回路具有多重的濾波裝置，并且采用了良好的電源開關(guān)。這些措施極大地提高了PLC的穩(wěn)定性。

2.2工作電源斷電原理檢測

工作電源的中斷與恢復(fù)的實時性檢測將會影響到備用電源的切換時間。在系統(tǒng)中可以提供檢測的點有兩個：a點和b點(圖1所示)。其中a點為市電直接檢測，為交流檢測；b點為經(jīng)過逆變之后的直流檢測。在逆變器的輸出端有較大的電容，故可以存儲一定的電能，這就使得檢測電路不能及時地檢測到斷電信息，存在時延不滿足不間斷切換的需求，所以在a點進行檢測。檢測電路如圖3所示。

圖3　斷電檢測電路

在電路中220 V的交流電先經(jīng)過四個整流二極管整流成高壓脈沖直流，然后經(jīng)過光耦隔離產(chǎn)生斷電信號。當(dāng)交流電正常時，在ACST產(chǎn)生高電平，反之則產(chǎn)生低電平。這樣便完成了斷電的檢測任務(wù)，經(jīng)過多次的檢驗及計算，檢測精度在10 ms以內(nèi)。

2.3電壓、電流信息的采集

為了更好地了解燃料電池備用電源系統(tǒng)的工作狀態(tài)，還要對系統(tǒng)中的電壓、電流以及溫度等物理參數(shù)進行采集。采集到的參數(shù)傳送到處理器中可以為處理器進行系統(tǒng)控制提供可靠的信息來源，并且還可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到遠程控制端，讓系統(tǒng)管理人員更加方便地了解系統(tǒng)運行狀態(tài)，以做出更深層次的控制管理。以電壓信號采集為例進行簡要說明，具體的電壓信息采集電路如圖4所示。

圖4　電壓信息采集電路

電壓信號的采集采用的是差分輸入的形式，電壓信息經(jīng)過兩級放大電路的放大并且通過線性光耦合IC300隔離處理以減少對主線路的影響。至于電流信號的采集則是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號進行采集，放大電路與電壓信息采集類似，不做重復(fù)的說明。

3　總結(jié)

為了解決特殊部門要求不間斷供電的需要以及現(xiàn)有的備用電源系統(tǒng)的不足，本設(shè)計提出一套基于PLC的燃料電池備用電源的監(jiān)控系統(tǒng)。該監(jiān)控系統(tǒng)可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柴油發(fā)電機以及鉛酸蓄電池備用電源，具有高轉(zhuǎn)換率、清潔無污染等特點。通過使用可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)了對燃料電池備用系統(tǒng)的實時監(jiān)控，并且實現(xiàn)了不間斷切換，具有較高的使用價值。

[1]周蘇,牛繼高,徐春華.全數(shù)字控制的燃料電池應(yīng)急電源設(shè)計[J].電源技術(shù),2012,36(2):188-191.

[2]呂景泉.可編程控制器技術(shù)教程[M].北京：高等教育出版社, 2003：5-6.

Design and implementation of fuel cell standby power monitoring system based on PLC

JING Ting-ting,KANG Di
(Shijiazhuang Information Engineering Vocational College,Shijiazhuang Hebei 050035,China)

According to the characteristics of fuel cell standby power,a system based on programmable logic controller(PLC)was proposed,which realized the uninterrupted switch of standby power supply and ensured the output stability of the system.Through the real test,this system can come true the preset purpose with a certain popularization value.

PLC;fuel cell;standby power

TM 911.4

A

1002-087 X(2016)10-1959-02

2016-03-01

荊婷婷(1979—)，女，河北省人，講師，本科，主要研究方向為電子信息技術(shù)。