燃料电池发电装置能量管理控制系统设计j精选

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1、燃料电池发电装置能量管理控制系统设计[J]燃料电池发电装置能量管理控制系统设计EnergyManagementdesigninFuelCellPowerSystem朱选才徐德鸿吴屏曹陆萍沈国桥浙江大学电力电子研究所Emailzxczjueducnxdhceezjueducn摘要：针对燃料电池动态响应上的不足本文探讨了燃料电池发电系统中的能量管理设计方法重点讨论了能量管理控制系统的结构和控制器的设计建立了5kW燃料电池发电系统通过实验验证了所设计的能量管理控制系统的有效性AbstractFuelcellisknownasaslo

2、wdynamicresponseapplicationInthispaperanenergymanagementdesigninaFuelCellpowersystemisdiscussedtosolvethelimitationThestructurearithmeticandthecontrollerdesignoftheenergymanagementsystemisdiscussedFinallytheexperimentresultsona5kWfuelcellpowersystemwithenergymanagem

3、entaregiventoverifythetheoreticalanalysis关键词燃料电池能量管理超级电容KeywordsFuelCellEnergyManagementSuperCapacitor1引言在质子交换膜燃料电池PEMFC中由于气压湿度等都是由机械装置来控制受这些装置的反应速度的限制造成燃料电池动态响应比较慢在负载突然变化的时候燃料电池的输出电压输出电流要经过一段比较长的时间秒级才能建立起来同时在新的稳态建立以前电池内部可能因为局部温度气压湿度等超标而影响燃料电池寿命因此燃料电池发电系统需要配置一个辅助储能环

4、节弥补燃料电池动态响应上的不足本文介绍了一种适用于燃料电池发电系统的能量管理技术在燃料电池发电系统中引入超级电容通过对超级电容的充放电的管理实现在系统负载突变的时候由超级电容吸收突变的功率燃料电池仅仅输出一个变化缓慢的功率在满足负载快速响应的同时使得燃料电池内部机械装置能够有足够的调整时间不至于在电池内部造成局部过热或是干燥等影响燃料电池工作寿命的情况2能量管理系统图1所示为整个燃料电池发电系统的结构其中DCDC变换器实现升压功能逆变器将直流电能转化为用户需要的交流电能并与电网连接通过超级电容和双向DCDC变换器实现能量的管理

5、图1燃料电池发电系统框图如图1所示在燃料电池的输出端根据基尔霍夫电流定律有iFCiOiBi1其中iFC为燃料电池输出电流iBi为双向DCDC变换器的输出电流iO为流入DCDC变换器的电流由式1可知对于一定的电流iO通过控制双向变换器的输出电流iBi可以达到控制燃料电池输出电流iFC的目的在负载突变时电流iO也发生突变通过让双向变换器对超级电容进行快速的充放电使iBi迅速地跟踪iO的变化然后燃料电池才开始缓慢地改变的输出电流iFC这样既能满足负载变化的快速响应的要求又保证燃料电池长期安全的运行能量管理环节的作用有两个一是间接地

6、控制燃料电池的输出电流使得在负载变化的时候燃料电池的输出电流是缓慢变化的另一个是控制超级电容的电压使得其处于一个可以快速充放电的最佳状态图2所示为能量管理系统控制框图通过一个电流内环控制双向DCDC变换器的输出电流利用一个高通滤波器HPF检测出负载电流中的高次谐波经过限幅以后作为双向DCDC变换器的输出电流参考值iref_Bi通过电流内环的控制使双向DCDC变换器的输出电流跟踪负载电流的高频分量iref_Bi限制在负载电流突变时对燃料电池造成的冲击图2中的电压外环用于维持超级电容Csuper的电压通过对超级电容电压的采样和一个

7、参考电压值作比较误差信号经过PI计算后得到维持超级电容电压需要的充放电电流参考值再经过一个限流环节加到双向DCDC变换器输出电流给定值中通过对充放电电流的控制来维持超级电容的电压这里电压外环的调节速度设置的比电流内环慢的很多这样电流环路的优先级要高于电压外环即在负载平稳时电流参考值iref_Bi为零变换器采用TI公司的F2812DSP控制图3双向DCDC变换器结构图控制系统使超级电容电压控制在最佳值Vref_SC而在负载突变时由于外环反应慢icharge可以认为为零因此主要由电流内环发挥作用使双向DCDC变换器的输出电流iB

8、I跟踪负载电流的高频分量给定值iref_Bi图4双向DCDC变换器主电路及驱动电路照片由图2可以得到系统的控制结构图如图5所示图中GHPFs为高通滤波器传递函数G1s为电流内环控制器传递函数GPWM为PWM增益Gids为占空比d到双向DCDC图2能量管理控制框图3双向DCDC