燃料電池備用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制研究

更新時(shí)間：2022-08-24

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摘要

為了彌補(bǔ)燃料電池作為獨(dú)立備用電源存在的不足，提出一種以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的備用電源系統(tǒng)。根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)特性，提出了系統(tǒng)電壓閾值補(bǔ)償控制策略及蓄電池充放電控制策略，實(shí)現(xiàn)備用電源的不間斷切換及動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。基于提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略，研發(fā)了一臺(tái)3kW燃料電池備用電源樣機(jī)系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試表明，所提的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略實(shí)用、有效，所設(shè)計(jì)的燃料電池備用電源系統(tǒng)可用作不間斷備用電源。

引言

由于惡劣天氣條件、自然災(zāi)害或者輸電線(xiàn)路故障等造成公用市電電網(wǎng)斷電時(shí)，政府、醫(yī)院、電信、銀行等一些特定部門(mén)的直流設(shè)備就需要一種可以連續(xù)運(yùn)行數(shù)小時(shí)甚至數(shù)日的可靠直流備用電源，以防止市電突然斷電而造成巨大損失。備用電源是在工作電源中斷或不充足時(shí)為維持設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行提供電源的供電裝置，目前常用的備用電源有柴油發(fā)電機(jī)和鉛酸蓄電池。柴油發(fā)電機(jī)存在工作噪音大、釋放有害氣體的缺點(diǎn)，且不能作為不間斷備用電源；而鉛酸蓄電池存在體積大、備電時(shí)間有限的缺點(diǎn)，且具有不確定性，對(duì)環(huán)境溫度要求苛刻。鑒于常用備用電源存在噪音大、污染環(huán)境、能量利用率低等不足，加之能源危機(jī)和人們環(huán)保意識(shí)的提高，研發(fā)清潔、環(huán)保的新型備用電源逐漸受到業(yè)界高度關(guān)注。

燃料電池是一種高效的電化學(xué)能量轉(zhuǎn)換裝置，它直接將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，不受卡諾循環(huán)限制，具有清潔、無(wú)污染、噪聲低、能量密度高、啟動(dòng)快、連續(xù)供電時(shí)間長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且輸出為直流，這使得燃料電池非常適用于直流負(fù)載設(shè)備。燃料電池工作時(shí)比柴油發(fā)電機(jī)更加安靜環(huán)保，在同樣功率下燃料電池的能量密度高于鉛酸蓄電池。隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池將逐漸取代鉛酸蓄電池和柴油發(fā)電機(jī)作為備用電源，應(yīng)用前景廣闊。

燃料電池雖具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在輸出特性較軟、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢、輸出電壓波動(dòng)較大、啟動(dòng)時(shí)需要輔助電源等不足。為了克服燃料電池存在的不足，本文結(jié)合燃料電池的特性，提出一種以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)特性提出了系統(tǒng)電壓閾值補(bǔ)償控制策略及蓄電池充放電控制策略，設(shè)計(jì)了該備用電源的系統(tǒng)控制單元。該燃料電池備用電源通過(guò)監(jiān)測(cè)市電供電狀態(tài)、負(fù)載功率需求、蓄電池荷電狀態(tài)（SOC）等，實(shí)現(xiàn)燃料電池備用電源自動(dòng)投入與切除、負(fù)載功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、輔助蓄電池充放電管理等。最后根據(jù)提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略研制了一臺(tái)3kW的燃料電池備用電源樣機(jī)，并采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)控制單元及控制策略。測(cè)試結(jié)果表明，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略滿(mǎn)足不間斷備用電源的要求，控制策略實(shí)用、有效。

1、燃料電池備用電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃料電池存在的不足，使得其作為獨(dú)立的備用電源需要注意以下問(wèn)題：工作電源掉電實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及備用電源不間斷切換；燃料電池啟動(dòng)輔助電源設(shè)計(jì)及管理；燃料電池備用電源系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)；燃料電池備用電源功率補(bǔ)償控制。

1.1、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

針對(duì)燃料電池作為備用電源時(shí)需要注意的問(wèn)題，擬構(gòu)建以燃料電池為主電源、蓄電池為輔助電源的燃料電池備用電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)工作電源掉電時(shí)為負(fù)載設(shè)備提供穩(wěn)定、可靠、不間斷的備用電源。根據(jù)燃料電池的特性，提出的燃料電池備用電源系統(tǒng)主要由燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、DC／DC變換器、蓄電池充電管理單元、系統(tǒng)控制單元、蓄電池及弱電供電單元等組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1虛線(xiàn)框內(nèi)所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

a.燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要包含氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、空氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、排氣系統(tǒng)、燃料電池電堆、燃料電池發(fā)電控制器等。燃料電池發(fā)電控制器主要實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電控制及電堆壓力、溫度、電壓、電流等參數(shù)采集，并通過(guò)CAN通信總線(xiàn)與系統(tǒng)控制單元進(jìn)行通信，接收系統(tǒng)控制單元下發(fā)的控制命令，上傳采集的壓力、溫度、電壓、電流等參數(shù)給系統(tǒng)控制單元，為協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的控制提供數(shù)據(jù)依據(jù)。由于燃料電池輸出的直流電壓波動(dòng)較大，難以直接與負(fù)載連接，因此在燃料電池輸出端連接一個(gè)DC／DC變換器，將輸出電壓變換到負(fù)載需求電壓等級(jí)后并入直流母線(xiàn)，解決燃料電池輸出電壓波動(dòng)較大、不能直接與負(fù)載連接的問(wèn)題。

b.蓄電池充電管理單元主要實(shí)現(xiàn)對(duì)備用電源系統(tǒng)中的蓄電池進(jìn)行充放電管理，根據(jù)工作電源是否斷電、燃料電池輸出功率、負(fù)載需求功率及蓄電池的SOC等來(lái)控制蓄電池充放電。系統(tǒng)中的蓄電池一方面作為備用電源在切換過(guò)程中為負(fù)載提供短暫供電支撐，實(shí)現(xiàn)不間斷供電；另一方面為燃料電池啟動(dòng)提供輔助啟動(dòng)電源，解決燃料電池在啟動(dòng)時(shí)需要外部提供輔助供電的問(wèn)題。除此之外蓄電池還在燃料電池供電時(shí)為負(fù)載功率突變提供功率補(bǔ)償。

c.系統(tǒng)控制單元是整個(gè)燃料電池備用電源的控制核心，主要用于控制備用電源系統(tǒng)中各單元的自動(dòng)工作、狀態(tài)參數(shù)采集、供電電源切換，并通過(guò)人機(jī)接口接收遠(yuǎn)端監(jiān)控系統(tǒng)下發(fā)的控制命令。

d.弱電供電單元主要為備用電源系統(tǒng)提供控制電源，其從直流母線(xiàn)或蓄電池取電，然后變換成備用電源系統(tǒng)需要的各種電壓等級(jí)的電源。

1.2、工作原理

燃料電池備用電源系統(tǒng)在啟動(dòng)后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作電源的供電狀態(tài)及備用電源系統(tǒng)本身的狀態(tài)，并通過(guò)人機(jī)接口與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心進(jìn)行狀態(tài)參數(shù)傳輸。系統(tǒng)控制單元根據(jù)工作電源的供電狀態(tài)、蓄電池的SOC、備用系統(tǒng)狀態(tài)等控制備用電源系統(tǒng)中燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的啟動(dòng)與停止、蓄電池的充放電、備用電源的投入與切除。

在備用電源系統(tǒng)安裝完成后，閉合開(kāi)關(guān)K1為負(fù)載設(shè)備供電，同時(shí)燃料電池備用電源控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，再閉合開(kāi)關(guān)K2接入蓄電池。備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)后首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)行工作電源供電狀態(tài)監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工作電源供電正常時(shí)，備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式：燃料電池發(fā)電系統(tǒng)停止發(fā)電，斷開(kāi)DK切除蓄電池供電，同時(shí)根據(jù)蓄電池的SOC對(duì)蓄電池進(jìn)行充電管理；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到工作電源供電中斷時(shí)，系統(tǒng)控制器立即閉合開(kāi)關(guān)DK，切換到蓄電池供電工作模式：蓄電池一方面為負(fù)載供電，另一方面為系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電提供啟動(dòng)電源。當(dāng)備用電源工作在蓄電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制器根據(jù)工作電源是否恢復(fù)供電、燃料電池輸出是否穩(wěn)定、蓄電池SOC是否達(dá)到下限進(jìn)行狀態(tài)切換。在燃料電池輸出不穩(wěn)定、工作電源恢復(fù)供電時(shí)，自動(dòng)切除備用電源供電，停止燃料電池發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電，同時(shí)備用電源進(jìn)入待機(jī)工作模式，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電；當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到燃料電池輸出穩(wěn)定、工作電源未恢復(fù)供電時(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入燃料電池供電模式：系統(tǒng)控制單元啟動(dòng)DC／DC變換器，同時(shí)切換到燃料電池供電工作模式，負(fù)載設(shè)備轉(zhuǎn)為由燃料電池供電；當(dāng)備用電源工作在燃料電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制單元監(jiān)測(cè)到工作電源供電恢復(fù)后，備用電源轉(zhuǎn)入待機(jī)工作模式，同時(shí)停止燃料電池發(fā)電，負(fù)載轉(zhuǎn)由工作電源供電。備用電源各工作模式切換示意圖如圖2所示。

圖2 工作模式切換示意圖

1.3、系統(tǒng)控制策略

根據(jù)燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模式切換圖，其系統(tǒng)控制策略主要有蓄電池充電控制策略、蓄電池放電控制策略及電壓閾值補(bǔ)償控制策略。

1.3.1、蓄電池充電控制策略

備用電源工作在待機(jī)模式時(shí)，系統(tǒng)控制器在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)的同時(shí)啟動(dòng)蓄電池充電。蓄電池充電管理單元通過(guò)檢測(cè)蓄電池當(dāng)前的SOC，并根據(jù)設(shè)置的SOC上限值SOCh及下限值SOCl控制對(duì)蓄電池的充放電。在SOC達(dá)到SOCh時(shí)，停止對(duì)蓄電池充電；當(dāng)SOC低于SOCh時(shí)，開(kāi)始對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。其充電控制策略為：

備用電源工作在燃料電池供電模式時(shí)，若燃料電池輸出功率PFC大于負(fù)載需求功率PLoad，系統(tǒng)控制單元將啟動(dòng)蓄電池充電管理單元對(duì)蓄電池進(jìn)行充電，其充電控制策略與備用電源工作在待機(jī)模式時(shí)的充電控制策略相同。

1.3.2、蓄電池放電控制策略

備用電源工作在蓄電池供電模式時(shí)，蓄電池處于放電狀態(tài)。若蓄電池充電管理單元監(jiān)測(cè)到蓄電池的SOC達(dá)到SOCl時(shí)，系統(tǒng)控制單元上傳報(bào)警信息，提醒蓄電池即將停止供電，隨后切除蓄電池對(duì)負(fù)載供電，備用電源系統(tǒng)停機(jī)。蓄電池放電控制策略為：

1.3.3、電壓閾值補(bǔ)償控制策略

備用電源處于燃料電池供電模式時(shí)，系統(tǒng)控制單元根據(jù)燃料電池輸出功率PFC、負(fù)載需求功率PLoad、蓄電池SOC等補(bǔ)償負(fù)載功率突變，其補(bǔ)償思想為：

如何檢測(cè)備用電源中燃料電池輸出功率小于負(fù)載需求功率是功率補(bǔ)償控制的關(guān)鍵。由于燃料電池備用電源直流輸出額定電壓為Uo，其允許連接的直流負(fù)載額定電壓即為Uo，當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸出直流母線(xiàn)電壓低于設(shè)計(jì)的額定電壓Uo時(shí)，說(shuō)明負(fù)載需求功率大于燃料電池輸出功率，導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓下降。因此可以設(shè)置一個(gè)直流母線(xiàn)電壓閾值下限UTL及上限UTH。當(dāng)直流輸出電壓Uo小于閾值UTL時(shí)，說(shuō)明負(fù)載需求功率超過(guò)燃料電池輸出功率，此時(shí)需要切入蓄電池進(jìn)行功率補(bǔ)償，同時(shí)控制燃料電池發(fā)電系統(tǒng)增大功率輸出；當(dāng)直流母線(xiàn)電壓Uo大于等于閾值UTH時(shí)，說(shuō)明燃料電池輸出功率已達(dá)到負(fù)載需求功率，此時(shí)可切除蓄電池的功率補(bǔ)償，同時(shí)根據(jù)蓄電池的SOC對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。電壓閾值補(bǔ)償控制策略為：

2、系統(tǒng)控制單元硬件設(shè)計(jì)

本文主要研究備用電源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制，對(duì)于燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、蓄電池充電管理單元不進(jìn)行詳細(xì)研究。系統(tǒng)控制單元是整個(gè)備用電源的控制核心，主要負(fù)責(zé)工作電源供電狀態(tài)檢測(cè)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)啟動(dòng)與停止及參數(shù)檢測(cè)、蓄電池充電啟動(dòng)與停止、備用電源工作模式切換、與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心通信等，其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)控制單元結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)控制單元主控制器選用增強(qiáng)型51單片機(jī)C8051F040為主控制器①，C8051F040內(nèi)部集成了12位多通道A／D轉(zhuǎn)換器、電壓基準(zhǔn)及CAN控制器等功能部件。集成A／D轉(zhuǎn)換器可用于備用電源系統(tǒng)中電壓、電流等模擬信號(hào)的采集，而不用外接A／D轉(zhuǎn)換器；集成的CAN控制器*支持CAN2.0A和CAN2.0B，可用于系統(tǒng)控制單元與遠(yuǎn)端監(jiān)控中心及燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的通信。

2.1、工作電源斷電檢測(cè)

工作電源中斷與恢復(fù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)將影響到備用電源的不間斷切換時(shí)間，可以選擇圖1中的點(diǎn)a或b進(jìn)行工作電源斷電檢測(cè)。點(diǎn)a處為交流，需采用交流檢測(cè)技術(shù)；點(diǎn)b處為直流，可采用分壓比較檢測(cè)技術(shù)。

對(duì)于直流供電一般是市電經(jīng)AC／DC變換器轉(zhuǎn)換成直流后給負(fù)載供電，由于AC／DC變換器輸出端有一定容量的電容，所以通過(guò)點(diǎn)b檢測(cè)斷電信息有一定的延時(shí)，不能準(zhǔn)確檢測(cè)到市電斷電時(shí)刻，導(dǎo)致系統(tǒng)控制單元不能在斷電瞬間投入備用電源而使負(fù)載存在斷電的危險(xiǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試，通過(guò)點(diǎn)b進(jìn)行斷電檢測(cè)，其延遲時(shí)間約為50ms，不能滿(mǎn)足備用電源不間斷切換的要求。由于點(diǎn)a能直接反映出市電斷電瞬間的信息而不存在延遲，故選擇在點(diǎn)a進(jìn)行檢測(cè)，在交流斷電瞬間即可檢測(cè)到斷電信息，其檢測(cè)電路原理圖如圖4所示。

圖4 工作電源斷電檢測(cè)原理圖

交流220V首先經(jīng)過(guò)整流二極管VD1—VD4整流成高壓脈動(dòng)直流，然后經(jīng)光耦隔離產(chǎn)生斷電信號(hào)。此處光耦起到電氣隔離的作用以避免對(duì)主控制器產(chǎn)生干擾及進(jìn)行信號(hào)電平匹配。當(dāng)交流有電時(shí)光耦導(dǎo)通，檢測(cè)信號(hào)ACST為高電平；當(dāng)交流斷電時(shí)光耦截止，檢測(cè)信號(hào)ACST為低電平。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，此檢測(cè)電路的檢測(cè)時(shí)間約為10ms。

2.2、電壓、電流檢測(cè)

燃料電池備用電源系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各單元的電壓、電流，為主控制器的控制策略提供數(shù)據(jù)參考，同時(shí)需將采集的參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端監(jiān)控中心，方便控制中心監(jiān)測(cè)備用電源系統(tǒng)工作狀態(tài)。系統(tǒng)控制單元電壓、電流檢測(cè)主要涉及燃料電池輸出端、蓄電池、直流母線(xiàn)等。

電壓采集采用差分輸入，采樣信號(hào)由兩級(jí)運(yùn)放調(diào)理后經(jīng)線(xiàn)性光耦I(lǐng)L300隔離處理，以減小對(duì)主控制器的干擾。隔離后的電壓信號(hào)經(jīng)兩級(jí)運(yùn)放放大調(diào)理后得到采樣信號(hào)Us，Us隨后接入主控制器的模擬采樣通道進(jìn)行采集，其采樣電路如圖5所示。

圖5 電壓采樣電路

電流檢測(cè)使用電流霍爾傳感器LA25-NP將采樣電流值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)采樣調(diào)理電路處理后接入主控制器的模擬采樣通道進(jìn)行采集。電流采樣的調(diào)理電路與電壓采樣調(diào)理電路類(lèi)似。

2.3、CAN通信接口

CAN總線(xiàn)是工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，屬于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信總線(xiàn)，具有通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、速率高、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此系統(tǒng)控制單元采用CAN通信接口與燃料電池發(fā)電系統(tǒng)及遠(yuǎn)端監(jiān)控中心進(jìn)行參數(shù)、命令傳輸，能保證通信的實(shí)時(shí)、穩(wěn)定。

由于C8051F040內(nèi)部集成的CAN控制器是一個(gè)協(xié)議控制器，它并沒(méi)有提供物理層的收發(fā)功能，要實(shí)現(xiàn)與CAN總線(xiàn)的通信接口，需要增加外部CAN收發(fā)控制器，實(shí)現(xiàn)CAN通信數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，其接口原理圖如圖6所示。

圖6 CAN通信接口電路

CAN總線(xiàn)信號(hào)CANTX和CANRX經(jīng)過(guò)高速光耦6N137進(jìn)行電氣隔離，再經(jīng)CAN總線(xiàn)收發(fā)器接口芯片SN65HVD230驅(qū)動(dòng)后接到CAN總線(xiàn)上。光耦6N137實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)與CAN總線(xiàn)間的電氣隔離，提高節(jié)點(diǎn)可靠性，并保護(hù)CAN總線(xiàn)上的其他節(jié)點(diǎn)。

3、系統(tǒng)控制單元工作流程

燃料電池備用電源系統(tǒng)控制單元是系統(tǒng)的控制核心，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)參數(shù)的采集、蓄電池充放電控制、燃料電池發(fā)電控制、供電電源不間斷切換及負(fù)載功率補(bǔ)償?shù)取溆秒娫聪到y(tǒng)具有3種工作模式：待機(jī)模式、蓄電池供電模式、燃料電池供電模式，不同模式下系統(tǒng)控制單元的任務(wù)不同，其控制單元工作流程如圖7所示。

圖7 工作流程圖

燃料電池備用電源系統(tǒng)啟動(dòng)后，根據(jù)工作電源的供電情況進(jìn)入待機(jī)模式或蓄電池供電模式。若備用電源在工作電源供電正常時(shí)啟動(dòng)，則啟動(dòng)后備用電源進(jìn)入待機(jī)模式，此時(shí)系統(tǒng)控制單元只負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)備用電源系統(tǒng)的待機(jī)狀態(tài)參數(shù)、控制蓄電池充電及備用電源異常報(bào)警。當(dāng)工作電源突然斷電時(shí)，控制單元立即檢測(cè)到斷電信號(hào)，先停止對(duì)蓄電池的充電，然后閉合開(kāi)關(guān)DK，由蓄電池為負(fù)載提供電源，切換到蓄電池供電模式，同時(shí)啟動(dòng)燃料電池發(fā)電。在燃料電池輸出穩(wěn)定之前，備用電源一直工作在蓄電池供電模式。當(dāng)系統(tǒng)控制單元檢測(cè)到燃料電池輸出穩(wěn)定后，控制單元啟動(dòng)DC／DC變換器，轉(zhuǎn)為燃料電池給負(fù)載供電。如果此時(shí)燃料電池輸出功率PFC大于負(fù)載需求功率PLoad即Uo>UTH時(shí)，則控制單元斷開(kāi)開(kāi)關(guān)DK，切除蓄電池供電，并根據(jù)蓄電池當(dāng)前SOC決定是否啟動(dòng)對(duì)蓄電池充電；如果負(fù)載突然增加或者燃料電池輸出功率PFC小于負(fù)載需求功率PLoad即Uo<UTL時(shí)，則控制單元閉合開(kāi)關(guān)DK切入蓄電池，由蓄電池、燃料電池共同為負(fù)載提供功率，實(shí)現(xiàn)燃料電池輸出功率不足時(shí)，由蓄電池進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率補(bǔ)償，保障負(fù)載設(shè)備的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

4、測(cè)試與分析

根據(jù)所提燃料電池備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)控制策略，研制了一臺(tái)3kW燃料電池備用電源樣機(jī)。備用電源選用的燃料電池輸出電壓范圍為30~40V，凈輸出功率為3.5kW，蓄電池容量為60A·h。設(shè)計(jì)的備用電源輸出電壓為直流48V，功率為3kW。

4.1、工作電源斷電檢測(cè)測(cè)試

工作電源中斷與恢復(fù)的實(shí)時(shí)檢測(cè)將影響到備用電源的不間斷切換時(shí)間。在燃料電池備用電源系統(tǒng)安裝完成后，將示波器探頭連接到斷電檢測(cè)信號(hào)輸出端ACST、將差分探頭連接到交流供電輸入端，依次閉合圖1中開(kāi)關(guān)K1、K2，使備用電源系統(tǒng)正常啟動(dòng)并工作于待機(jī)模式。在備用電源系統(tǒng)工作正常后，突然切斷市電供電，示波器捕捉到的檢測(cè)信號(hào)ACST及交流供電波形如圖8所示。從圖中可以看到交流供電斷電檢測(cè)響應(yīng)時(shí)間大約為7ms，滿(mǎn)足不間斷切換中斷電檢測(cè)時(shí)間要求，檢測(cè)信號(hào)有下降尖峰，這是由正弦交流整流脈動(dòng)直流產(chǎn)生的，但尖峰的低值并未達(dá)到低電平的范圍內(nèi)，故不影響斷電信號(hào)的判斷。

圖8 工作電源斷電檢測(cè)波形

4.2、工作模式切換測(cè)試

利用10kW電子負(fù)載代替實(shí)際直流負(fù)載設(shè)備，按照?qǐng)D1所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)搭建試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)，并將電子負(fù)載功率調(diào)節(jié)到3kW，對(duì)研制的燃料電池備用電源系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。在市電正常的情況下突然斷開(kāi)市電、在燃料電池供電模式下突然恢復(fù)市電供電，用示波器觀測(cè)直流母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)變化情況見(jiàn)圖9。

圖9 模式切換時(shí)直流母線(xiàn)電壓曲線(xiàn)圖

圖9（a）是在燃料電池處于待機(jī)模式時(shí)，市電斷電瞬間系統(tǒng)控制自動(dòng)切換到蓄電池供電模式的電壓曲線(xiàn)，圖中蓄電池供電電壓只有44.4V，這是由多次試驗(yàn)后蓄電池容量降低導(dǎo)致的，示波器捕捉的切換時(shí)間大約為20ms。從圖中可以看到在負(fù)載功率為3kW的整個(gè)切換過(guò)程中，負(fù)載供電沒(méi)有中斷，只是發(fā)生了一定電壓跌落，導(dǎo)致電壓跌落的原因是蓄電池在多次試驗(yàn)后容量不足。圖9（b）是在燃料電池輸出穩(wěn)定后切換到燃料電池供電時(shí)的電壓波形圖。市電恢復(fù)供電時(shí)切換波形圖如圖9（c）所示。在燃料電池供電正常的情況下突然恢復(fù)交流供電，當(dāng)市電突然恢復(fù)正常供電后，系統(tǒng)控制單元立即檢測(cè)到交流供電恢復(fù)信號(hào)ACST為高，并按照設(shè)計(jì)的控制策略先發(fā)送停止燃料電池發(fā)電命令（圖中①處波形），同時(shí)切換到蓄電池供電模式。在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)確認(rèn)燃料電池停止發(fā)電后，系統(tǒng)控制單元立即切換到交流供電（圖中②處波形），并切除蓄電池供電進(jìn)入待機(jī)模式。示波器捕捉的由蓄電池模式恢復(fù)交流供電的切換時(shí)間大約為40ms。

4.3、蓄電池充放電及功率補(bǔ)償測(cè)試

在市電供電正常、斷電及恢復(fù)供電期間，對(duì)蓄電池充放電電流進(jìn)行捕捉觀察，如圖10（a）所示。上面是工作電源交流電壓波形曲線(xiàn)，下面是蓄電池充放電電流波形曲線(xiàn)。從圖中可以看出：在市電供電正常時(shí)，蓄電池處于充電狀態(tài)；在市電突然斷電瞬間，蓄電池立即切入直流母線(xiàn)，對(duì)負(fù)載供電。

在燃料電池供電模式下，對(duì)蓄電池的充放電電流進(jìn)行捕捉觀察，如圖10（b）所示，上面是燃料電池供電模式下直流母線(xiàn)電壓波形曲線(xiàn)，下面是蓄電池充放電電流波形曲線(xiàn)。從圖中可見(jiàn)：在燃料電池供電模式下，燃料電池輸出功率PFC大于負(fù)載需求功率PLoad，蓄電池處于充電狀態(tài)；手動(dòng)調(diào)整負(fù)載功率，負(fù)載功率發(fā)生波動(dòng)后，導(dǎo)致直流母線(xiàn)電壓跌落，系統(tǒng)控制單元立即切入蓄電池功率補(bǔ)償，蓄電池進(jìn)行放電；在負(fù)載功率降低后，蓄電池再次開(kāi)始充電。

圖10 蓄電池充放電波形

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試，研制的燃料電池備用電源系統(tǒng)各工作模式切換正常、有效，所提出的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制策略及系統(tǒng)控制單元工作流程能夠滿(mǎn)足不間斷備用電源的要求。

5、結(jié)論

針對(duì)目前備用電源系統(tǒng)存在的不足及燃料電池良好的應(yīng)用前景，本文提出基于燃料電池的備用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制策略，替代傳統(tǒng)的蓄電池或柴油發(fā)電機(jī)備用電源，可延長(zhǎng)備電時(shí)間、縮短切換時(shí)間、降低環(huán)境污染。隨著燃料電池技術(shù)的不斷發(fā)展，燃料電池制造成本的下降，配套設(shè)施的逐漸完善，燃料電池作為一種高效節(jié)能、環(huán)境友好的發(fā)電裝置，必將在備用電源中得到廣泛的應(yīng)用。

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