黃龍

摘要：使用大功率燃料電池模塊為核心發(fā)電單元，結(jié)合鋰電池、DC、逆變器、控制系統(tǒng)等部件設(shè)計(jì)一套燃料電池應(yīng)急電源系統(tǒng)。系統(tǒng)通信架構(gòu)采用CAN、Modbus、IO等方式搭建，兼容性和可靠性強(qiáng)。系統(tǒng)采用控制SOC恒定的能量分配策略，完美適配應(yīng)急電源應(yīng)用場(chǎng)景下的負(fù)載工況變化。

關(guān)鍵詞：應(yīng)急電源;燃料電池;控制方法

引言

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑技術(shù)水平的不斷提高，城市的建筑趨向于大規(guī)模，高層化發(fā)展，隨之而來對(duì)建筑的供電要求越來越高。社會(huì)的信息化，建筑的現(xiàn)代化，使建筑對(duì)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(jīng)濟(jì)損失。

在現(xiàn)有技術(shù)中，備用電源最常見的有三種：

采用柴油機(jī)作為發(fā)電機(jī)組，但是柴油機(jī)組噪聲高、排放物污染環(huán)境，不符合綠色能源的發(fā)電技術(shù)方向;

采用鋰電池儲(chǔ)能，但是單獨(dú)的鋰電池儲(chǔ)能能量密度低，需要配備很大體積/質(zhì)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(dòng)力系統(tǒng)或者多套混合動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)，但是現(xiàn)有采用單套燃料電池、鋰電池混合動(dòng)力系統(tǒng)的應(yīng)急電源功率較低，而多套混合動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)的應(yīng)急電源系統(tǒng)拓?fù)鋸?fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性低、控制難度大。

技術(shù)方案

一種大功率燃料電池應(yīng)急電源控制系統(tǒng)，包括燃料電池系統(tǒng)、鋰電池系統(tǒng)、電力變換系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)模塊GWM。

主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電氣系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

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

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(tǒng)包括一臺(tái)充電機(jī)和一臺(tái)大功率逆變器，直流母線通過逆變器接外部負(fù)載，外接充電口通過整流器連接到直流母線;

輔助供電系統(tǒng)主要由一套鋰電池系統(tǒng)組成。

系統(tǒng)通信架構(gòu)

應(yīng)急電源系統(tǒng)通信架構(gòu)如下圖2：

系統(tǒng)采用CAN、Modbus、IO等數(shù)據(jù)采集及通信方式;其中，系統(tǒng)控制器ECU通過CAN通信與燃料電池模塊、DCDC、網(wǎng)關(guān)模塊、人機(jī)交互界面1（HMI_1）、調(diào)試上位機(jī)建立通信連接;子系統(tǒng)PLC通過Modbus協(xié)議與鋰電池系統(tǒng)、逆變器、充電機(jī)、網(wǎng)關(guān)模塊、人機(jī)交互界面2（HMI_2）等建立通信連接;網(wǎng)關(guān)模塊作為兩種不同通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)之間的橋梁，起到將CAN數(shù)據(jù)幀和Modbus數(shù)據(jù)幀相互轉(zhuǎn)換的作用;而ECU分別與燃料電池、DCDC通過硬線IO建立關(guān)鍵信號(hào)的通信，同理PLC也分別與鋰電池管理系統(tǒng)（BMS）、充電機(jī)、逆變器（DC/AC）通過硬線IO建立關(guān)鍵信號(hào)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(tǒng)根據(jù)當(dāng)前負(fù)載需求P_req和當(dāng)前功率P_now的大小關(guān)系判斷是否加減載;如上圖所示，當(dāng)P_req>P_now時(shí)，系統(tǒng)需要加載;當(dāng)P_req=P_now時(shí)，系統(tǒng)正常輸出;當(dāng)P_req<P_now時(shí)，系統(tǒng)需要減載;再根據(jù)鋰電池當(dāng)前SOC判斷是否給電池充電，當(dāng)SOC處在設(shè)定范圍內(nèi)（SOC_min，SOC_max）時(shí)，電池充電狀態(tài)為靜態(tài)，P_offset=0;當(dāng)SOC大于設(shè)定范圍（SOC_min，SOC_max）時(shí)，電池充點(diǎn)電狀態(tài)為放電，P_offset<0;當(dāng)SOC小于設(shè)定范圍（SOC_min，SOC_max）時(shí)，電池充點(diǎn)電狀態(tài)為充電，P_offset>0;

P_req為電力變換系統(tǒng)檢測(cè)到負(fù)載端的實(shí)時(shí)需求功率;

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

系統(tǒng)的目標(biāo)輸出功率：P_目標(biāo) = P_req + P_offset;

系統(tǒng)在按照以上工況進(jìn)行功率分配時(shí)，電池SOC的目標(biāo)值是最佳工作范圍，并且在電源系統(tǒng)備用時(shí)，控制器實(shí)時(shí)監(jiān)視SOC值，并通過電力變換系統(tǒng)的充電機(jī)外接交流電給鋰電池充電，或者在SOC過低時(shí)啟動(dòng)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(jié)論

通過采用CAN協(xié)議通信方式、Modbus通信協(xié)議和硬接線多種形式的結(jié)合使用，使系統(tǒng)通信兼容性更強(qiáng)，可靠性更高;采用優(yōu)化的控SOC恒定的混合動(dòng)力系統(tǒng)控制策略，合理分配燃料電池、鋰電池與負(fù)載之間的能量關(guān)系，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速率?；诖蠊β嗜剂想姵氐闹麟娐吠?fù)?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在充分滿足實(shí)際功率需求的前提下，避免了多套系統(tǒng)并聯(lián)產(chǎn)生的多機(jī)協(xié)調(diào)控制問題。