CN108199409B - 一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法 - Google Patents

一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，该方法通过在DC/DC变换器的外环控制单元中电压误差信号经外环控制单元之后输出内环控制单元的参考信号，内环控制单元用于获得DC/DC变换器的驱动信号，并将其输出至前级DC/DC变换器的功率开关管中，从而完成电流脉动的有效抑制；该方法通过加入陷波控制单元能在外环电压截止频率较低的同时，有效减小低频脉动分量的幅值，改善了系统动态性能；在质子交换膜燃料电池工作参数变化的情况下，通过陷波控制单元能在一定参数变化范围内实现对发电系统电流脉动的鲁棒抑制以及系统鲁棒稳定性。更重要的是，减少低频电流脉动能有效延长质子交换膜燃料电池的使用寿命。

Description

一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法
技术领域
本发明属于燃料电池技术领域，特别是涉及一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法。
背景技术
随着日益严峻的能源短缺和环境污染问题，人们对清洁能源的需求日渐迫切。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)作为一种新型的将化学能转化为电能的发电装置，以其高效、安全、环保和功率密度高等优点，在电力、通信以及交通运输等领域有着广泛的应用和发展前景。
由于PEMFC输出特性软，需要借助两级结构的电力电子电路来实现直流到交流的转换，用以满足三相交流负载的需求。然而，当三相负载不平衡时，负载侧会产生两倍于输出电压频率的功率脉动量，脉动量反向传递至PEMFC输出端产生低频脉动电流，严重影响PEMFC的寿命和发电效率。此外，高含量的低频电流脉动将造成功率调节系统的损耗增大，并增加开关管的电流应力。因此，抑制PEMFC发电系统中三相不平衡负载情况下的低频电流脉动是非常必要的。
目前，在相关的文献中已经有大量低频电流脉动抑制的方法，通过增加额外的储能装置或者电路补偿拓扑和通过控制方法的改进来抑制低频电流脉动是比较常用的两类方法。额外增加储能装置或电路补偿拓扑会导致硬件成本和损耗增加，效率降低。通过改进的控制方法在不增加硬件成本的同时，能够有效抑制低频电流脉动，是比较合适的选择。国外文献提出的针对单相单套的燃料电池发电系统双闭环控制方法和增加虚拟阻抗的控制方法，分别通过极点配置和调节电流环的穿越频率来控制二倍频处的电流脉动增益。但是，为了抑制低频电流脉动，要求外环电压的截止频率较低，这将导致负载突变时系统动态特性变差。
此外，目前的低频电流脉动抑制方法只考虑了电流脉动的有效控制，并未结合PEMFC电堆自身的参数不确定特性进行控制方法的设计，只能在PEMFC电堆工作在理想状态下有效，方法缺乏鲁棒性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，能够使燃料电池发电系统在保障系统鲁棒稳定性的同时，更好地实现低频电流脉动抑制。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，所述燃料电池发电系统包括燃料电池、DC/DC变换器、电容、DC/AC三相逆变器、LC滤波器、三相负载和控制电路，所述燃料电池通过DC/DC变换器和LC滤波器连接至三相负载，在所述DC/DC变换器和DC/AC三相逆变器之间设置有电容，所述控制电路连接至燃料电池的输出端和电容的两端采集信号，所述控制电路还连接至DC/DC变换器的控制侧；本方案中燃料电池主要采用质子交换膜燃料电池。
所述电流脉动抑制方法包括步骤：
S100，对燃料电池发电系统的采集信号进行离散化处理，得到离散信号；将所述离散信号送入控制电路；
S200，由控制电路对离散信号和预设的外环参考信号进行对比，获得误差信号；通过外环控制算法得到内环控制的内环参考信号；
S300，由控制电路对离散信号和内环参考信号进行对比，通过内环控制算法产生获得DC/DC变换器的驱动信号并输出至DC/DC变换器。
进一步的是，所述控制电路包括模拟I/O口、A/D转换器、外环控制单元、内环控制单元以及辅助供电电路；所述模拟I/O口、A/D转换器、外环控制单元和内环控制单元依次连接，所述模拟I/O口的输入侧连接至燃料电池的输出端和电容的两端，采集DC/DC变换器输出直流母线侧电容两端的电压信号和燃料电池输出侧的电流信号；所述内环控制单元的输出侧连接至DC/DC变换器，向DC/DC变换器发送驱动信号；所述辅助供电电路为各组件提供电能。所述控制电路可采用DSP-TMS320F28335控制器。
进一步的是，在所述步骤S100中离散信号的获取包括步骤：
S101在每个采样周期的起始点，采集DC/DC变换器输出直流母线侧电容两端的电压信号和燃料电池输出侧的电流信号，所述电压信号和电流信号为采集信号；
S102将所述电压信号和电流信号送入A/D转换器中进行离散化处理，得到离散信号，所述离散信号包括离散化的电压信号和离散化的电流信号；
S103将所述离散信号送至控制电路中。
进一步的是，所述步骤S200中获得内环参考信号包括步骤：
S201所述控制电路将所述离散化的电压信号与预设的参考电压进行比较，得到误差信号；
S202所述误差信号经过外环控制单元的外环控制算法，得到内环控制的内环参考信号。
进一步的是，所述外环控制单元包括PI控制器和陷波控制单元，所述PI控制器和陷波控制单元相互串联；所述PI控制器跟踪参考电压的值，实现系统的稳定性；所述陷波控制单元在低频脉动量的二倍频处，阻止二倍频处频率的信号进入到内环控制单元中，实现电流脉动的鲁棒抑制。
通过加入陷波控制单元能在外环电压截止频率较低的同时，有效减小低频脉动分量的幅值，改善了系统动态性能。在质子交换膜燃料电池工作参数变化的情况下，通过陷波控制单元能在一定参数变化范围内实现对发电系统电流脉动的鲁棒抑制以及系统鲁棒稳定性。
进一步的是，所述步骤S300中获得DC/DC变换器的驱动信号，包括步骤：
S301将所述内环参考信号与所述离散化的电流信号进行比较；
S302将比较结果通过内环控制算法获得DC/DC变换器的驱动信号，并将驱动信号输出至DC/DC变换器，从而完成电流脉动的有效抑制。
进一步的是，所述内环控制算法是利用调制信号与三角波相比较，得到驱动信号。
进一步的是，为了分析低频电流脉动抑制效果，利用DC/DC变换器的小信号模型，从三相负载反向传递至燃料电池输出端的低频电流脉动程度进行分析，具体公式如下：
其中，Hv表示直流母线电压传感器增益，Hi表示燃料电池输出电流传感器增益，Gi为内环补偿增益，GPI(s)为PI控制器的传递函数，Gn(s)为陷波控制单元的传递函数，Fm为调制器增益，Gid(s)为占空比相对于燃料电池发的系统输出侧电流的传递函数。
能够在三相不平衡负载情况下，实现对质子交换膜燃料电池发电系统的电堆输出侧电流脉动的鲁棒抑制。
进一步的是，在所述三相负载处通过连接开关并行连接至三相电网；能够实现系统的并网。
采用本技术方案的有益效果：
本发明通过电压外环，增强低频电流脉动的鲁棒抑制效果，与电流内环形成完整的控制器；解决了传统的电压电流双闭环控制中因现在外环电压截止频率引起的系统动态性能较差的问题，提高了燃料电池发电系统的鲁棒性，延长燃料电池电堆和电力电子器件的寿命，减小开关管的电流应力和通态损耗；
本发明能够在膜燃料电池工作参数变化的情况下，实现对发电系统电流脉动的鲁棒抑制，通过外环加入的陷波控制单元能在一定参数变化范围内实现系统鲁棒稳定性的同时，减少质子交换膜燃料电池电堆输出侧电流的脉动程度。
本发明能够在三相不平衡负载情况下，实现对质子交换膜燃料电池发电系统的电堆输出侧电流脉动的鲁棒抑制。
附图说明
图1为本发明中燃料电池发电系统的结构示意图；
图2为本发明中电流脉动抑制方法的控制流程图；
图3为本发明中加入电流脉动抑制策略的发电系统控制框图；
图4为本发明中Boost控制电路框图；
图5为本发明中陷波控制单元传递函数波特图；
图6为无本发明的质子交换膜燃料电池输出侧电流波形图；
图7为本发明的质子交换膜燃料电池输出侧电流频谱图；
图8为有本发明的质子交换膜燃料电池输出侧电流波形图；
图9为有本发明的质子交换膜燃料电池输出侧电流频谱图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步阐述。
在本实施例中，如图1所示，本发明中采用的三相两级结构的质子交换膜燃料电池发电系统，包括燃料电池、DC/DC变换器、电容、DC/AC三相逆变器、LC滤波器、三相负载和控制电路，所述燃料电池通过DC/DC变换器和LC滤波器连接至三相负载，在所述DC/DC变换器和DC/AC三相逆变器之间设置有电容，所述控制电路连接至燃料电池的输出端和电容的两端，所述控制电路还连接至DC/DC变换器的控制侧。其中，为实施控制算法的执行机构DC/DC变换器，将经过控制算法得到的控制信号用于控制DC/DC的功率开关。
本实施例中，如图2所示，所述电流脉动抑制方法包括步骤：
模拟I/O口将采集的输出直流母线侧电容Cdc两端的电压vdc和质子交换膜燃料电池电堆输出侧电流ifc信号送入到A/D转换器中进行离散化处理；
A/D转换器将离散化的信号送入DSP TMS320F28335控制芯片中；
外环控制单元将参考电压与实际的输出直流母线侧电容Cdc两端的电压vdc相比较产生内环控制单元的电流参考值；
内环控制单元通过进一步对参考电流与质子交换膜燃料电池电堆输出侧电流ifc的差值进行比较，最后得到DC/DC变换器的控制信号，完成DC/DC的控制。
其中，整个控制电路通过辅助供电电路提供所需的电能。
如图1-图4所示，本发明实施例控制过程的具体实施方法如下：
1、三相两级结构的质子交换膜燃料电池发电系统电流脉动理论推算：
定义三相输出电压ua、ub、uc和三相输出电流ia、ib、ic分别为：
其中，为a、b、c三相阻抗角。
根据式(1)和式(2)，系统输出的三相瞬时功率为：
三相总的瞬时功率为：
P＝Pa+Pb+Pc (4)。
结合式(3)可以得到：
当三相负载平衡时，三相阻抗Za＝Zb＝Zc＝Z，三相阻抗角以及三相电流Ia＝Ib＝Ic＝I，从而式(5)可进一步表示为：
从式(6)可见，三相负载平衡时，系统输出功率中不含有交频分量，无功率脉动。
三相不平衡时，三相输出功率表示为：
从式(7)和式(8)可见，三相负载不平衡时，系统输出功率中含有直流分量和二倍于基频的交流分量。二倍交流分量会反向传递至质子交换膜燃料电池侧，造成质子交换膜燃料电池输出电流脉动。
2、本发明一种质子交换膜燃料电池发电系统电流脉动抑制方法
在电压外环PI控制器的基础上串联陷波控制单元的作用是：在误差电压放大信号作为电流内环的基准信号之前，对误差电压放大信号中二倍于三相逆变器输出电压频率的脉动分量进行滤除，从而滤除后的误差电压放大信号较之前平稳，再将此信号作为电流环的基准，故质子交换膜燃料电池电堆输出侧电流ifc跟踪已经滤除掉脉动分量的电压误差信号，基准电流中无脉动量存在，从而使得电流的低频脉动分量大大得到抑制和滤除。
陷波控制单元的传递函数表达式为：
式(9)中，ωn为所需滤除频率量的角频率，Q为品质因数。
图5给出了ωn＝2π·100rad/s，Q＝5情况下陷波控制单元Gn(s)的波特图，由图可见幅值增益在100Hz处最小，输入量中频率为二倍于三相逆变器输出电压频率的脉动分量经过Gn(s)之后能进行有效滤除。
通过DC/DC变换器的小信号模型引入脉动分析系数：
其中，Hv表示直流母线电压传感器增益，Hi表示燃料电池输出电流传感器增益，Gi为内环补偿增益，GPI(s)为PI控制器传递函数，Gn(s)为陷波控制单元的传递函数，Fm为调制器增益，Gid(s)为占空比相对于质子交换膜燃料电池电堆输出侧电流的传递函数。从式(10)可见，在100Hz处，|Gn(s)|的幅值最小，并且闭环控制系统脉动分析系数|A(s)|的幅值增益在100Hz处越小，证明控制器的抑制效果越好。
如图6至图9所示，与无此发明的质子交换膜燃料电池输出侧电流相比，采用本发明的控制方法后，质子交换膜燃料电池发电系统电流脉动明显降低。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述燃料电池发电系统包括燃料电池、DC/DC变换器、电容、DC/AC三相逆变器、LC滤波器、三相负载和控制电路，所述燃料电池通过DC/DC变换器和LC滤波器连接至三相负载，在所述DC/DC变换器和DC/AC三相逆变器之间设置有电容，所述控制电路连接至燃料电池的输出端和电容的两端采集信号，所述控制电路还连接至DC/DC变换器的控制侧；
所述电流脉动抑制方法包括步骤：
S100，对燃料电池发电系统的采集信号进行离散化处理，得到离散信号；将所述离散信号送入控制电路；
S200，由控制电路对离散信号和预设的外环参考信号进行对比，获得误差信号；通过外环控制算法得到内环控制的内环参考信号；
S300，由控制电路对离散信号和内环参考信号进行对比，通过内环控制算法产生获得DC/DC变换器的驱动信号并输出至DC/DC变换器；
利用DC/DC变换器的小信号模型，从三相负载反向传递至燃料电池输出端的低频电流脉动程度进行分析，具体公式：
其中，Hv表示直流母线电压传感器增益，Hi表示燃料电池输出电流传感器增益，Gi为内环补偿增益，GPI(s)为PI控制器的传递函数，Gn(s)为陷波控制单元的传递函数，Fm为调制器增益，Gid(s)为占空比相对于燃料电池发的系统输出侧电流的传递函数。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述控制电路包括模拟I/O口、A/D转换器、外环控制单元、内环控制单元以及辅助供电电路；所述模拟I/O口、A/D转换器、外环控制单元和内环控制单元依次连接，所述模拟I/O口的输入侧连接至燃料电池的输出端和电容的两端，采集DC/DC变换器输出直流母线侧电容两端的电压信号和燃料电池输出侧的电流信号；所述内环控制单元的输出侧连接至DC/DC变换器，向DC/DC变换器发送驱动信号；所述辅助供电电路为各组件提供电能。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，在所述步骤S100中离散信号的获取包括步骤：
S101在每个采样周期的起始点，采集DC/DC变换器输出直流母线侧电容两端的电压信号和燃料电池输出侧的电流信号，所述电压信号和电流信号为采集信号；
S102将所述电压信号和电流信号送入A/D转换器中进行离散化处理，得到离散信号，所述离散信号包括离散化的电压信号和离散化的电流信号；
S103将所述离散信号送至控制电路中。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤S200中获得内环参考信号包括步骤：
S201所述控制电路将所述离散化的电压信号与预设的参考电压进行比较，得到误差信号；
S202所述误差信号经过外环控制单元的外环控制算法，得到内环控制的内环参考信号。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述外环控制单元包括PI控制器和陷波控制单元，所述PI控制器和陷波控制单元相互串联；所述PI控制器跟踪参考电压的值；所述陷波控制单元在低频脉动量的二倍频处，阻止二倍频处频率的信号进入到内环控制单元中。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述步骤S300中获得DC/DC变换器的驱动信号，包括步骤：
S301将所述内环参考信号与所述离散化的电流信号进行比较；
S302将比较结果通过内环控制算法获得DC/DC变换器的驱动信号，并将驱动信号输出至DC/DC变换器。
7.根据权利要求6所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，所述内环控制算法是利用调制信号与三角波相比较，得到驱动信号。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的一种燃料电池发电系统的电流脉动抑制方法，其特征在于，在所述三相负载处通过连接开关并行连接至三相电网。
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