PEMFC熱電聯供系統能量管理控制策略研究

關鍵詞：質子交換膜燃料電池（PEMFC）；熱電聯供系統；能量匹配；控制策略；測試驗證

0 前言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）熱電聯供系統具有廣闊的應用前景［1］，目前國外PEMFC 熱電聯供系統已經開始了商業化應用［2］。其中，1990 年日本推出了Ene-Farm 項目［3］，2012 年歐盟啟動了Ene-Field 項目［4］，韓國則致力于大型燃料電池電站的研發和建設［5］。

PEMFC 熱電聯供系統的發展正從實驗室走向示范階段［6］。現階段，針對熱電聯供系統的研究側重于電負荷跟隨控制策略或者熱負荷跟隨控制策略，不能同時滿足用戶電負荷和熱負荷的需求［7-10］；針對能量利用率的研究，則是在某種控制策略下，將電能和熱能利用率進行綜合后得到粗略的結果［11-13］。目前，缺乏將熱電聯供系統作為獨立的供能系統，因此本文將熱電聯供系統作為獨立的供能設備，在系統不同運行工況下，針對系統發電功率、產熱功率的輸出特性，以及用戶電負荷、熱負荷的用能特性，研究能量管理控制策略，以實現系統發電功率、產熱功率與用戶電負荷、熱負荷之間的能量有效匹配，從而滿足用戶的電負荷及熱負荷需求。

1 系統組成及工作原理

10 kW 級PEMFC 熱電聯供系統由電堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、冷卻系統（帶散熱器和板式換熱器）、電控系統、余熱回收系統（帶儲熱水箱和加熱器）、蓄電池、直流/直流（DC/DC）模塊、直流/交流（DC/AC）模塊共同構成。

考慮系統發電產熱特性及用戶不同季節用能需求特性，為了調節系統電功率與用戶電負荷的關系，采用蓄電池，其作用是調節電能的儲存或輸出；為了調節系統熱功率與用戶熱負荷的關系，采用儲熱水箱，其作用是將冷卻系統通過板式換熱器交換來的熱量以熱水的方式儲存；同時考慮產熱過多而儲熱水箱儲熱有限的情形，采用散熱器，其作用是即時地將多余的熱量排出；儲熱水箱內加熱器的作用是電功率大于電負荷而熱功率小于熱負荷時，通過蓄電池供電給加熱器補充儲熱水箱的熱量。PEMFC 熱電聯供系統工作原理如圖1 所示。

系統在運行時產生的電能為用戶提供生活用電或者輸送到蓄電池儲存。當電功率大于電負荷時，將多余的電能輸送到蓄電池儲存；當電功率小于電負荷時，由蓄電池釋放電能補充供電。系統熱電耦合運行時，電功率大于電負荷而熱功率小于熱負荷時，將多余的電能輸送到蓄電池儲存，并通過蓄電池將電能輸送給電加熱器轉化為熱能。

系統運行時產生的熱量傳遞給冷卻系統中的冷卻液，加熱后的冷卻液與余熱回收系統中冷卻液在板式換熱器中實現熱傳導。冷卻回路中的冷卻液經板式換熱器降溫后在水泵1的驅動下循環流入電堆，不斷地將系統運行過程中產生的熱量帶出。余熱回收系統中的冷卻水在水泵2 的作用下進入板式換熱器升溫后流入儲熱水箱，與流入儲熱水箱的低溫自來水進行熱傳導并將熱量儲存在儲熱水箱中。

2 系統工況

2. 1 系統發電功率與產熱功率特性

所選FCvelocity-9SSL 型燃料電池電堆在不同工作電流時對應的PEMFC 熱電聯供系統發電功率和產熱功率見表1，其中定義K₁ 為PEMFC 熱電聯供系統產熱功率與發電功率之比。

2. 2 電負荷與熱負荷需求特點

以上海地區為例，居民四口之家年用能需求為：日常用電約4 400 kW·h，生活用熱水能量約2700kW·h［14］。分析系統不同運行工況下的供能特點及用戶不同時間段的用能特點，選擇合適的控制策略進行供需能量匹配調節，以滿足用戶的用能需求。選取居民晚上用能時段（20：00：00—21：00：00）進行試驗測試驗證， 電負荷與熱負荷需求見表2。為簡化計算，假設家庭熱負荷與電負荷需求高峰時段同步，日用能總量之比簡化為功率比，定義K₂ 為PEMFC 熱電聯供系統熱負荷與電負荷功率之比。

3 PEMFC 熱電聯供系統控制策略

電堆運行溫度為60～70 ℃ ，儲熱水箱溫度為40～55 ℃，可通過調節連通儲熱水箱水的溫度和自來水混合三通閥的開度來實現用戶所需溫度的熱水。在系統不同運行工況下，需要確保電堆運行時內部溫度控制目標，實現系統發電功率、產熱功率與用戶電負荷、熱負荷需求之間的能量供需匹配關系，同時滿足用戶獲得所需的電能和合適的溫度用水，并盡可能提高氫氣利用率。

3. 1 熱負荷跟隨控制策略

根據熱負荷需求實時對輸出產熱功率進行跟隨調節，而對輸出電功率不做控制。當K₂ 與K₁ 大小相近時選擇熱負荷跟隨控制策略：當系統的電功率大于電負荷時，系統多余的電能輸往蓄電池儲存；當系統電功率小于電負荷時，不足電負荷需求可通過蓄電池補充。熱負荷跟隨控制策略的流程如圖2所示。

3. 2 電負荷跟隨控制策略

根據電負荷功率消耗實時對系統輸出電功率進行跟隨調節，而對系統輸出熱功率不做控制。當K₂ 遠小于K₁ 時采用電負荷跟隨控制策略，當系統產熱功率大于熱負荷需求時，系統產生的熱能通過板式換熱器在余熱回收系統中循環進入儲熱水箱儲存；隨著儲熱水箱溫度不斷升高，當溫度達到設定上限值時（關注T₃ 上限溫度，T₃≤55 ℃），系統需切換至散熱模式。電負荷跟隨控制策略流程如圖3所示。

3. 3 熱電耦合控制策略

根據能量守恒定律，系統發電與產熱功率之和等于用戶電負荷與熱負荷之和。系統不同運行工況下，當K₂ 遠大于K₁ 時系統采用熱電耦合控制策略。在儲熱水箱中增加了電加熱器，可將多余的電能通過電加熱器轉化為熱能作為補充滿足熱負荷需求。熱電耦合控制策略流程如圖4 所示。

4 測試驗證

當PEMFC 熱電聯供系統運行時，通過系統的性能調試和測試，其輸出特性如表3 和圖5 所示。

4. 1 熱負荷跟隨控制策略

春秋季時，K₂ 與K₁ 大小相近，選擇熱負荷跟隨控制策略驗證。選取20：00：00—21：00：00 用能時段，電負荷需求為5 kW·h，熱負荷需求為4 kW·h，K₁=0.57，K₂=0.64。熱電聯供系統運行時測試電堆和水箱溫度見表4，系統發電功率和產熱功率與時間的關系特性如圖6 所示。

選擇熱負荷跟隨控制策略，根據儲熱水箱的溫度控制電堆運行時的電流來調整系統的發熱功率。電堆運行時的電流分別為：0～1200 s 時段，電流為50 A；1200～2400 s 時段，電流為90 A；2400～3600 s 時段，電流為130A。

由表4 和圖6 可知：在居民用能區間時段內，選擇熱負荷跟隨控制策略，熱電聯供系統產熱3.2 kW·h，發電5.19 kW·h，能夠滿足用戶電負荷為5.0 kW·h、熱負荷為3.2 kW·h 的用能需求，系統的能量利用率為79.23%。

4. 2 電負荷跟隨控制策略

在夏季，當K₂ 遠小于K₁ 時，選擇電負荷跟隨控制策略進行測試驗證。選取20：00：00—21：00：00用能時段，電負荷需求為7.5 kW·h，熱負荷需求為2.6 kW·h，K₁=0.81，K₂=0.35。熱電聯供系統運行時測試電堆和水箱溫度見表5，系統發電功率和產熱功率與時間的關系特性如圖7 所示。

選擇電負荷跟隨控制策略，根據蓄電池電量控制電堆運行時的電流來調整系統的發電功率。電堆運行時的電流分別為：0～1200 s 時段，電流為90 A；1200～2400 s時段，電流為130 A；2400～3600 s 時段，電流為170 A。

由表5 和圖7 可知：在居民用能區間時段內，選擇電負荷跟隨控制策略，熱電聯供系統發電7.28 kW·h，產熱6.21 kW·h，能夠滿足用戶在該區間時段內的用能需求（電負荷為7.2 kW·h，熱負荷為2.6 kW·h），并且將多余的產熱通過冷卻系統的散熱風扇排出，系統能量利用率為63.47%。

4. 3 熱電耦合控制策略

在冬季，當K₂ 遠大于K1 時，選擇熱電耦合控制策略進行測試驗證。選取20：00：00—21：00：00 用能時段，電負荷需求為5.0 kW·h，熱負荷需求為6.6 kW·h，電負荷與熱負荷需求總量約為10.8 kW·h，K₂=1.32，K₁=0.65。熱電聯供系統運行時測試電堆和水箱溫度見表6，系統發電功率和產熱功率與時間的關系特性如圖8 所示。

選擇熱電耦合控制策略，根據蓄電池電量及儲熱水箱的溫度來判斷電負荷和熱負荷總功率需求，從而控制電堆運行時的電流來調整系統的運行工況。電堆運行時的電流分別為：0～1 200 s 時段，電流為30 A；1200～2400 s 時段，電流為110 A；2400～3600 s 時段，電流為210 A。

由表6和圖8可知：在居民用能區間時段內，選擇熱電偶和控制策略，熱電聯供系統發電6.04 kW·h，產熱4.8 kW·h，能夠滿足用戶在該區間時段內的用能需求（電負荷為5.0 kW·h，熱負荷為5.8 kW·h），產生多余的電量通過儲熱水箱加熱器轉換為熱能，系統的能量利用率為78.25%。

5結語

本文將PEMFC 熱電聯供系統作為獨立供能設備，基于電堆運行時溫度控制目標（60～70 ℃）及儲熱水箱溫度控制目標（40～55 ℃），在系統不同運行工況下，研究熱電聯供系統發電功率、產熱功率與用戶電負荷、熱負荷需求之間的能量匹配關系，并提出合理的運行控制策略，從而滿足用戶獲得所需的電能和合適的溫度用水。選取20：00：00—21：00：00用能時段進行測試，驗證了所選擇的控制策略的可行性，同時盡可能地提升了系統地能量利用率。