基于PLC的燃料電池備用電源監控系統的研究

荊婷婷，康　迪

(石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035)

基于PLC的燃料電池備用電源監控系統的研究

荊婷婷，康迪

(石家莊信息工程職業學院，河北石家莊050035)

根據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控系統，實現了備用電源的不間斷切換，從而保證了系統穩定電能輸出。經過實際測試，該系統可以實現預設目的，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，在醫院、銀行等特殊部門都會備有直流供電設備。這些設備需要在供電中斷的數小時甚至數天的時間內提供穩定可靠的電能輸出。現在一般的備用電源主要有柴油發電機和鉛酸蓄電池。柴油發電機噪聲大，環境污染嚴重，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量重，并且儲能有限，同樣不能長時間使用。鑒于傳統的備用電源的不足，研發一種環保、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界的關注。

燃料電池是一種由化學能直接轉化為電能的裝置，其轉化過程中不經過燃燒反應所以不受卡諾循環的限制，轉化效率高[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，具有良好的環境親和性。燃料電池工作時噪音遠遠低于柴油發電機，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，供電持續時間長，直流輸出穩定等優點，被認為是備用電源發展的未來。

雖然燃料電池具有這么多的優點，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，并根據燃料電池的特性，提出基于PLC的監控系統。該系統通過監控市供電網絡的供電狀態、蓄電池的荷電狀態(SOC)以及負載功率的需求等功能實現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補償。

1　燃料電池備用電源的整體設計

根據燃料電池本身的特性，提出的燃料電池備用系統主要有燃料電池發電系統、AC/CD變換器、蓄電池充電管理單元等組成，系統的具體結構模型如圖1所示。

圖1　燃料電池備用電源結構模型

燃料電池發電系統主要包括反應劑的供給系統、排水系統、排熱系統以及安全裝置和電能的控制系統等，其中電能控制系統主要負責檢測燃料電池的運行狀態以及電壓、電流、溫度的數據采集。由于燃料電池發電為直流電，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蓄電池的充放電管理工作。系統控制單元是整個系統的運行核心，負責管理各個模塊的正常運行，采集系統參數，實現不間斷的電源切換等等。

2　系統的具體設計與實現

本文主要研究燃料電池備用電源的監控系統，對于燃料電池發電系統和蓄電池的充放電系統不再進行詳細的介紹。該監控系統主要的任務是對供電狀態進行檢測、對燃料電池發電系統啟停控制、參數采集、蓄電池充放電的啟停控制以及遠程監控等功能。

2.1基于PLC的設計

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運算、定時計數功能的面向機械或者工業生產的自控裝置。與其他的工業控制裝置相比較，PLC具有高可靠性和優良的通用性的特點[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，本設計提出基于PLC的設計如圖2所示。

圖2　基于PLC的設計結構圖

在燃料電池備用系統中，采集到的環境信息數據，通過PLC實現A/D轉換，以獲得數字量。這些數字量通過PLC的初步處理并將處理結果利用PLC的網絡與通信功能進行傳輸，傳送到遠程的服務器客戶端進而實現進一步的管理控制。

除此之外，由于燃料電池備用系統的所處環境比較復雜，所以對于控制模塊穩定性有較高的要求。PLC的輸入輸出設備都是采用光耦合器件，這樣使得PLC的內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內部電路的影響。PLC的電源系統與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。這些措施極大地提高了PLC的穩定性。

2.2工作電源斷電原理檢測

工作電源的中斷與恢復的實時性檢測將會影響到備用電源的切換時間。在系統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的交流電先經過四個整流二極管整流成高壓脈沖直流，然后經過光耦隔離產生斷電信號。當交流電正常時，在ACST產生高電平，反之則產生低電平。這樣便完成了斷電的檢測任務，經過多次的檢驗及計算，檢測精度在10 ms以內。

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的工作狀態，還要對系統中的電壓、電流以及溫度等物理參數進行采集。采集到的參數傳送到處理器中可以為處理器進行系統控制提供可靠的信息來源，并且還可以將采集到的數據傳送到遠程控制端，讓系統管理人員更加方便地了解系統運行狀態，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，不做重復的說明。

3　總結

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

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

[2]呂景泉.可編程控制器技術教程[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。