淺析一種燃料電池應急電源系統及控制方法

黃龍

摘要：使用大功率燃料電池模塊為核心發電單元，結合鋰電池、DC、逆變器、控制系統等部件設計一套燃料電池應急電源系統。系統通信架構采用CAN、Modbus、IO等方式搭建，兼容性和可靠性強。系統采用控制SOC恒定的能量分配策略，完美適配應急電源應用場景下的負載工況變化。

關鍵詞：應急電源;燃料電池;控制方法

引言

隨著社會的發展，建筑技術水平的不斷提高，城市的建筑趨向于大規模，高層化發展，隨之而來對建筑的供電要求越來越高。社會的信息化，建筑的現代化，使建筑對供電的依賴也越來越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中斷供電，將造成重大的政治影響或經濟損失。

在現有技術中，備用電源最常見的有三種：

采用柴油機作為發電機組，但是柴油機組噪聲高、排放物污染環境，不符合綠色能源的發電技術方向;

采用鋰電池儲能，但是單獨的鋰電池儲能能量密度低，需要配備很大體積/質量的鋰電池才能滿足大功率的供電要求;

燃料電池、鋰電池混合動力系統或者多套混合動力系統并聯，但是現有采用單套燃料電池、鋰電池混合動力系統的應急電源功率較低，而多套混合動力系統并聯的應急電源系統拓撲復雜、系統穩定性低、控制難度大。

技術方案

一種大功率燃料電池應急電源控制系統，包括燃料電池系統、鋰電池系統、電力變換系統、PLC系統和網關模塊GWM。

主電路拓撲結構

電氣系統拓撲結構如圖1所示。

基于大功率燃料電池的應急電源主電氣系統主要分為三部分：大功率燃料電池系統、電能變換系統、輔助電源系統;

燃料電池發電系統基于100KW以上的大功率燃料電池模塊搭建，通過雙向DCDC變換器連接到直流母線上;

電力變換系統包括一臺充電機和一臺大功率逆變器，直流母線通過逆變器接外部負載，外接充電口通過整流器連接到直流母線;

輔助供電系統主要由一套鋰電池系統組成。

系統通信架構

應急電源系統通信架構如下圖2：

系統采用CAN、Modbus、IO等數據采集及通信方式;其中，系統控制器ECU通過CAN通信與燃料電池模塊、DCDC、網關模塊、人機交互界面1（HMI_1）、調試上位機建立通信連接;子系統PLC通過Modbus協議與鋰電池系統、逆變器、充電機、網關模塊、人機交互界面2（HMI_2）等建立通信連接;網關模塊作為兩種不同通信網絡系統之間的橋梁，起到將CAN數據幀和Modbus數據幀相互轉換的作用;而ECU分別與燃料電池、DCDC通過硬線IO建立關鍵信號的通信，同理PLC也分別與鋰電池管理系統（BMS）、充電機、逆變器（DC/AC）通過硬線IO建立關鍵信號的通信;

能量分配控制策略

基于控制SOC恒定的能量分配策略如下圖3：

系統根據當前負載需求P_req和當前功率P_now的大小關系判斷是否加減載;如上圖所示，當P_req>P_now時，系統需要加載;當P_req=P_now時，系統正常輸出;當P_req<P_now時，系統需要減載;再根據鋰電池當前SOC判斷是否給電池充電，當SOC處在設定范圍內（SOC_min，SOC_max）時，電池充電狀態為靜態，P_offset=0;當SOC大于設定范圍（SOC_min，SOC_max）時，電池充點電狀態為放電，P_offset<0;當SOC小于設定范圍（SOC_min，SOC_max）時，電池充點電狀態為充電，P_offset>0;

P_req為電力變換系統檢測到負載端的實時需求功率;

P_offset為根據鋰電池SOC修正的最佳充放電功率，充電為正，放電為負;

系統的目標輸出功率：P_目標 = P_req + P_offset;

系統在按照以上工況進行功率分配時，電池SOC的目標值是最佳工作范圍，并且在電源系統備用時，控制器實時監視SOC值，并通過電力變換系統的充電機外接交流電給鋰電池充電，或者在SOC過低時啟動燃料電池給鋰電池充電，從而使電池SOC保持在最佳工作范圍;

結論

通過采用CAN協議通信方式、Modbus通信協議和硬接線多種形式的結合使用，使系統通信兼容性更強，可靠性更高;采用優化的控SOC恒定的混合動力系統控制策略，合理分配燃料電池、鋰電池與負載之間的能量關系，提高了系統的響應速率。基于大功率燃料電池的主電路拓撲，結構簡單，在充分滿足實際功率需求的前提下，避免了多套系統并聯產生的多機協調控制問題。