浅析一种燃料电池应急电源系统及控制方法

黄龙

摘要：使用大功率燃料电池模块为核心发电单元，结合锂电池、DC、逆变器、控制系统等部件设计一套燃料电池应急电源系统。系统通信架构采用CAN、Modbus、IO等方式搭建，兼容性和可靠性强。系统采用控制SOC恒定的能量分配策略，完美适配应急电源应用场景下的负载工况变化。

关键词：应急电源;燃料电池;控制方法

引言

随着社会的发展，建筑技术水平的不断提高，城市的建筑趋向于大规模，高层化发展，随之而来对建筑的供电要求越来越高。社会的信息化，建筑的现代化，使建筑对供电的依赖也越来越大，尤其是一些重要的公共建筑，一旦中断供电，将造成重大的政治影响或经济损失。

在现有技术中，备用电源最常见的有三种：

采用柴油机作为发电机组，但是柴油机组噪声高、排放物污染环境，不符合绿色能源的发电技术方向;

采用锂电池储能，但是单独的锂电池储能能量密度低，需要配备很大体积/质量的锂电池才能满足大功率的供电要求;

燃料电池、锂电池混合动力系统或者多套混合动力系统并联，但是现有采用单套燃料电池、锂电池混合动力系統的应急电源功率较低，而多套混合动力系统并联的应急电源系统拓扑复杂、系统稳定性低、控制难度大。

技术方案

一种大功率燃料电池应急电源控制系统，包括燃料电池系统、锂电池系统、电力变换系统、PLC系统和网关模块GWM。

主电路拓扑结构

电气系统拓扑结构如图1所示。

基于大功率燃料电池的应急电源主电气系统主要分为三部分：大功率燃料电池系统、电能变换系统、辅助电源系统;

燃料电池发电系统基于100KW以上的大功率燃料电池模块搭建，通过双向DCDC变换器连接到直流母线上;

电力变换系统包括一台充电机和一台大功率逆变器，直流母线通过逆变器接外部负载，外接充电口通过整流器连接到直流母线;

辅助供电系统主要由一套锂电池系统组成。

系统通信架构

应急电源系统通信架构如下图2：

系统采用CAN、Modbus、IO等数据采集及通信方式;其中，系统控制器ECU通过CAN通信与燃料电池模块、DCDC、网关模块、人机交互界面1（HMI_1）、调试上位机建立通信连接;子系统PLC通过Modbus协议与锂电池系统、逆变器、充电机、网关模块、人机交互界面2（HMI_2）等建立通信连接;网关模块作为两种不同通信网络系统之间的桥梁，起到将CAN数据帧和Modbus数据帧相互转换的作用;而ECU分别与燃料电池、DCDC通过硬线IO建立关键信号的通信，同理PLC也分别与锂电池管理系统（BMS）、充电机、逆变器（DC/AC）通过硬线IO建立关键信号的通信;

能量分配控制策略

基于控制SOC恒定的能量分配策略如下图3：

系统根据当前负载需求P_req和当前功率P_now的大小关系判断是否加减载;如上图所示，当P_req>P_now时，系统需要加载;当P_req=P_now时，系统正常输出;当P_req<P_now时，系统需要减载;再根据锂电池当前SOC判断是否给电池充电，当SOC处在设定范围内（SOC_min，SOC_max）时，电池充电状态为静态，P_offset=0;当SOC大于设定范围（SOC_min，SOC_max）时，电池充点电状态为放电，P_offset<0;当SOC小于设定范围（SOC_min，SOC_max）时，电池充点电状态为充电，P_offset>0;

P_req为电力变换系统检测到负载端的实时需求功率;

P_offset为根据锂电池SOC修正的最佳充放电功率，充电为正，放电为负;

系统的目标输出功率：P_目标 = P_req + P_offset;

系统在按照以上工况进行功率分配时，电池SOC的目标值是最佳工作范围，并且在电源系统备用时，控制器实时监视SOC值，并通过电力变换系统的充电机外接交流电给锂电池充电，或者在SOC过低时启动燃料电池给锂电池充电，从而使电池SOC保持在最佳工作范围;

结论

通过采用CAN协议通信方式、Modbus通信协议和硬接线多种形式的结合使用，使系统通信兼容性更强，可靠性更高;采用优化的控SOC恒定的混合动力系统控制策略，合理分配燃料电池、锂电池与负载之间的能量关系，提高了系统的响应速率。基于大功率燃料电池的主电路拓扑，结构简单，在充分满足实际功率需求的前提下，避免了多套系统并联产生的多机协调控制问题。