CN101860074B - 一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法，包括以下步骤：1)通过备用电源系统内的蓄电池电流和母线电压两个参数的检测来判断外部电源状态；2)当检测到外部电源掉电时，备用电源系统中的蓄电池组为外部用电设备供电，并实时准备启动备用电源系统内的燃料电池系统，且根据蓄电池放电电流的大小值来决定启动燃料电池系统的时间；3)当确定需启动燃料电池系统时，通过调节燃料电池系统内的风机转速来控制输出到外部用电设备的功率。本发明可使以燃料电池系统为核心的备用电源系统各功能模块能够有机高效地运行，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法。
背景技术
随着全球范围内的能源紧缺，环境污染等问题的日益突出，新能源的研究开发已经成为了各国的共识，基于氢能源的燃料电池技术得到了快速的发展.目前国内的通信基站等领域仍以铅酸蓄电池作为后备电源的主要能源供应.由于铅酸蓄电池供电时间有限，容易污染环境等不足因素，提供一种新的替代能源显得十分必要，目前比较普遍认可的一种方案是利用基于燃料电池技术的备用电源系统.但国内对于燃料电池备用电源系统仍处于研发试验阶段，并未有较成熟的应用案件和控制方法.
200910061032.1中提出了一种通信用燃料电池备用电源系统，其通过对外部市电的电压，电流监测来直接判断市电的电源状态，因此针对不同的用电设备需要进行不同的监测设备的安装，通用性不足；当其检测到外部断电时即立即启动燃料电池，当外部市电出现短时间停电或频繁的启停时，系统也会随之进行相应动作，并不是一种有效的控制方式；且其并未对系统匹配外部功率需求提供较好的控制策略。
本申请人在申请号为201020128350.3中提出了一种基于燃料电池的备用电源系统，如图1所示，包括燃料电池系统，与该燃料电池系统的一电能输出端相连的DC/DC变换器，及一辅助供电装置(蓄电池组)，其与DC/DC变换器并联后与外部用电设备连接。该系统可以很好克服蓄电池的不足，能方便稳定地为外部设备供电。
发明内容
为解决现有技术存在的上述问题，本发明提出一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法，其充分利用现有的燃料电池技术，使得以燃料电池系统为核心的备用电源系统各功能模块能够有机高效地运行，并满足目前通信基站等领域对备用电源系统的要求。
本发明可通过以下技术方案予以解决：
一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法，包括以下步骤：
1)通过所述备用电源系统内的蓄电池电流和母线电压两个参数的检测来判断外部电源状态；
2)当检测到所述外部电源掉电时，所述备用电源系统中的蓄电池组为外部用电设备供电，并实时准备启动所述备用电源系统内的燃料电池系统，且根据所述蓄电池放电电流的大小值来决定启动所述燃料电池系统的时间；
3)当确定需启动所述燃料电池系统时，通过调节所述燃料电池系统内的风机转速来控制输出到所述外部用电设备的功率。
本发明所述步骤1)中检测母线电压参数时，将所述备用电源系统中的DC/DC变换器的输出电压设置为略低于所述外部电源的电压值。
本发明所述步骤2)中所述蓄电池放电电流相对大时，所述备用电源系统启动燃料电池系统，以及时地为所述外部用电设备供电；当所述蓄电池放电电流相对小时，先让所述蓄电池组对所述外部用电设备供电，直至一定的时间后再启动所述燃料电池系统。
本发明所述步骤3)中在所述燃料电池系统启动时，风机转速调节到最大值，即风机额定转速，并逐渐降低至系统输出功率与外部用电设备功率匹配。
由于采用以上技术方案，本发明一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法涉及了备用电源系统中的核心控制问题：外部电源状态判断；燃料电池系统启动，运行状态控制；根据外部负载的功率要求有效地调节燃料电池系统输出功率，使之能够在保证足够能量供应的同时尽可能地提高效率，可以燃料电池系统为核心的备用电源系统各功能模块能够有机高效地运行，并满足目前通信基站等领域对备用电源系统的要求。
附图说明
图1一种基于燃料电池备用电源系统的结构框图；
图2为本发明一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法的流程图；
图3-A、3-B为外部电源断电判断图；
图4为外部电源上电判断图；
图5为外部电源掉电时，燃料电池系统的启动时间示意图；
图6为备用燃料电池系统启动时，风机转速控制示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明：
如图2所示，一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法，包括以下步骤：
1)通过备用电源系统内的蓄电池电流和母线电压两个参数的检测来判断外部电源状态；
2)当检测到外部电源掉电时，备用电源系统中的蓄电池组为外部用电设备供电，并实时准备启动所述备用电源系统内的燃料电池系统，且根据蓄电池放电电流的大小值来决定启动燃料电池系统的时间；
3)当确定需启动燃料电池系统时，通过调节燃料电池系统内的风机转速来控制输出到外部用电设备的功率。
其中图1的蓄电池组外部接有电流传感器，以实时监测蓄电池电流，系统输出端接有电压传感器，以实时监测母线电压；
备用电源系统中的市电检测是非常重要的，检测的实时性，准确性能保证系统状态的顺利切换，以保证对用电设备提供不问断的电源供应.目前备用电源应用中的市电检测大都是直接通过对外部市电的电压电流检测装置进行判断，准确性能够得到较好的保证，针对不同的用电设备需要进行不同的监测设备的安装，通用性不足。本发明提出了一种系统内部自动检测技术，通过对系统内部的状态判断就可以直接判断用电设备的市电供应状态.这一检测技术通过对蓄电池电流和母线电压的检测来获取，外部市电正常工作时，外部电源对蓄电池组进行浮充；当外部市电掉电时，蓄电池组取代外部电源成为外部负载的电能供应源，故蓄电池由浮充状态转换为放电状态，放电电流迅速增大.经过多次的测试，根据特定的负载要求选取合适的电流判断参数就能准确判断外部的断电状态了，图3-A、3-B所示，为外部市电断电时，蓄电池由浮充状态转换为放电状态，电流迅速增大，母线电压则有一定幅度的降低，因此可以设置适当的It和Ut值作为断电判断条件；将系统中DC/DC输出电压设置为略低于外部直流电源电压值，当外部市电断电时，母线电压会随之略微降低，当外部市电上电时，母线电压会随之略微增加，通过选取一个合适的电压判断参数就能方便地判断外部的电源状态，将蓄电池电流和母线电压两个参数进行协调配置后，就能实现精确有效的外部电源状态判断了，图4为外部市电上电时，母线电压有一定幅度的升高，设置适当的Ut值作为上电判断条件。
当检测到外部市电掉电时，备用电源系统中的辅助供电装置(蓄电池组)为外部用电设备供电，并实时准备启动燃料电池系统.但为了提高整个系统的运行效率及达到最大限度的节能，本发明提出了一种燃料电池启动时间算法.这主要由蓄电池的输出电流来决定.如图5所示：对于不同的用电设备，其供电要求是不一样的，当外部供电要求比较高时，即蓄电池放电电流较大时，系统较快地启动燃料电池系统，以及时地为用电设备供电；当外部供电要求比较低时，即蓄电池放电电流较小时，系统并不快速启动燃料电池系统，而是先让蓄电池对外部设备供电，直至一定的时间后再启动燃料电池系统.这既可以保证辅助供电装置(蓄电池组)发挥较佳的效果，又能使得系统不会过多地为辅助能耗消耗能源，也不会因为市电的短时间切换而进行频繁地启停，图5中纵轴为蓄电池放电电流，横轴为燃料电池系统启动时间，放电电流越大，则燃料电池系统启动时间越短，当其电流超过一给定的阀值时，系统会在极限时间t1内启动，随着放电电流的减小，系统启动时间随之增加.当放电电流达到一个特定的较小值后，系统启动时间基本不再变化。
当系统确定要启动燃料电池系统时，系统控制单元给燃料电池控制器发送相关指令，燃料电池控制器进行相关的启动操作，控制各执行器的动作.包括空进空出，氢进氢出，水循环系统，散热风散等单元的协调运行.由于燃料电池系统输出功率主要取决于对空进压力的控制，因此通过对风机转速的控制来获取适当的输出功率以供给外部负载是十分关键的.本发明提出了一种风机转速控制策略，如图6所示，在燃料电池系统启动时，先将风机转速调节到最大值，此时系统输出功率也达到最大值，再根据对系统状况的诊断来调节风机转速，使之逐渐降低，至输出功率为符合外部用电设备用电需求时，系统进入稳定运行阶段，对外输出稳定的直流电能。
首先将市电转换后作为外部设备的供电电源，此时备用电源系统处于待机状态，蓄电池处于浮充状态.将外部电源切断，蓄电池开始进入放电状态，放电电流迅速增大，母线电压也出现一定幅值的降低，根据相应的蓄电池电流值及母线电压参数，系统控制器计算出系统的启动时间，并向燃料电池控制器发出相应的启动指令，启动时间到后燃料电池启动，此时风机转速调节至最大值，系统对外输出最大功率，风机转速逐渐降价，输出功率也逐渐调节至与外部用电设备匹配，此时备用电源系统进入稳定运行状态；运行一段时间后，将外部电源接通，系统母线电压有一个小幅值的增加，母线电压传感器将相关信息反馈给系统控制器后，系统控制器将发出停机命令，燃料电池系统控制器将执行相应的执行器，停止燃料电池系统的运行，系统恢复待机状态.
但是，上述的具体实施方式只是示例性的，是为了更好的使本领域技术人员能够理解本专利，不能理解为是对本专利包括范围的限制；只要是根据本专利所揭示精神的所作的任何等同变更或修饰，均落入本专利包括的范围。
Claims (2)
1.一种基于燃料电池备用电源系统的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)通过所述备用电源系统内的蓄电池电流和母线电压两个参数的检测来判断外部电源状态；
2)当检测到所述外部电源掉电时，所述备用电源系统中的蓄电池组为外部用电设备供电，并实时准备启动所述备用电源系统内的燃料电池系统，且根据所述蓄电池放电电流的大小值来决定启动所述燃料电池系统的时间；
3)当确定需启动所述燃料电池系统时，通过调节所述燃料电池系统内的风机转速来控制输出到所述外部用电设备的功率；
所述步骤1)中检测母线电压参数时，将所述备用电源系统中的DC/DC变换器的输出电压设置为略低于所述外部电源的电压值；
所述步骤2)中所述蓄电池放电电流相对大时，所述备用电源系统启动燃料电池系统，以及时地为所述外部用电设备供电；当所述蓄电池放电电流相对小时，先让所述蓄电池组对所述外部用电设备供电，直至一定的时间后再启动所述燃料电池系统。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤3)中在所述燃料电池系统启动时，风机转速调节到最大值，即风机额定转速，并逐渐降低至所述系统输出功率与外部用电设备功率匹配。
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