CN108767294A - 一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法及系统 - Google Patents

一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法及系统，通过采集每燃料电池系统中各DC/DC电路的输出电压和电感电流信号，稳定低频纹波控制得到开关导通时间和关断时间，继而生成开关控制信号，进行DC/DC变换器的控制；控制系统包括数据采集模块，外环电压控制模块、斜率计算模块、开关控制模块和调制解调模块；首先计算电感电流在开关控制下的斜率变换，得到占空比，由调制解调模块控制开关信号，进行DC/DC变换器的控制，通过稳定低频纹波控制提高了DC/DC变换器的性能，多堆燃料电池通过并联的拓扑结构，均值电流的控制实现燃料电池阵列中各个电堆按照所需的功率输出。

Description

一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法及系统
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阵列系统的功率输出控制方法及系统。
背景技术
随着分布式发电技术的兴起，新型可再生能源日益受到人们的关注。传统的化石能源渐渐减少甚至枯竭，已经无法满足人类的日常需求。于是越来越多新的优质能源涌现，新型、清洁和可再生能源的开发利用势在必行。燃料电池是一种清洁、高效的发电装置，其作为分布式电源的重要组成部分，以其诸多优点受到广泛关注。尤其是质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)具有运行温度低、噪音低、效率高、响应速度快等特点，在燃料电池中应用最为广泛，是一种极具吸引力的发电装置。燃料电池发电系统在分布式发电、车辆、轨道交通和移动设备等领域均有广泛应用。
然而将燃料电池大规模应用于轨道交通领域仍受到诸多限制，因为其单体系统功率等级不高、可靠性较低，当轨道交通车辆工况发生变化时，燃料电池系统难以满足其实时功率需求，并且燃料电池单体系统的耐久性不足。若将燃料电池系统以阵列模式进行运行，其系统的功率等级可达到要求，且系统的稳定性、耐久性得到大幅度提高，在负载功率较高时，系统的效率得到较大提高。因此有必要针对燃料电池阵列的运行特性及各个电堆的输出电流控制方法开展深入研究。
燃料电池便携式电源有非常广泛的用途，在机动车辆、移动设备和家用设备中均有应用，并且可以用于军事、空间、发电厂等。然而在许多实际的电源应用中，电源的电压等级与应用系统不匹配的问题时有发生，所以电源需要通过燃料电池直流变换器才能应用于系统中，并且燃料电池具有的缺陷包括输出特性偏软、带载能力不足等。基于以上原因，燃料电池在实际应用中，因为其特殊的输出特性，必须在输出端连接一级直流变换器，与驱动器相配合使用。传统的DC/DC电路往往采用线性技术，这种结构形式使得燃料电池系统整体效率偏低、性能受局限，且有体积大与重量重等问题。因此，DC/DC电路更加倾向于采用开关电源技术，使得DC/DC电路的效率高、性能更好、体积小、重量轻，进而提高燃料电池整体系统的效率，将其应用于多堆燃料电池系统中，有效改善整体系统的输出性能，更好的控制多套燃料电池并联拓扑结构下的输出功率等。随着开关电源技术的快速发展与革新，应用领域也越来越广泛，在整个电源领域中开关电源所占据的比重愈来愈大，将其应用于燃料电池发电阵列系统中，可有效改善多堆系统的输出特性，具有较大的研究意义与价值。
但是，现有的燃料电池发电阵列系统采用并联的拓扑结构，通过对电流进行一定的控制，可有效控制各个电堆的功率分配。采用这种电流控制技术分为谷值电流控制和峰值电流控制，谷值电流会出现电流内环不稳定的现象，峰值电流亦会出现该现象。由于存在的不稳定现象，从而影响了DC/DC电路的瞬态响应性能和稳态电压的精度。
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阵列系统的功率输出控制方法及系统，不仅使得供电电压满足负载需求，也能有效提高传统电流纹波控制技术的瞬态性能，还能消除次谐波震荡等不稳定现象，从而提高燃料电池发电系统中变换器的稳态特性。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，包括步骤：
S100，采集DC/DC电路的输出电压和电感电流，采集燃料电池的输出电压；
S200，通过准定频均值电流控制方法计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间；
S300，利用开关导通时间和开关关断时间，经过调制解调获得开关控制信号，从而控制DC/DC电路；
S400，通过控制各个DC/DC电路，控制燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出。
进一步的是，所述步骤S200中准定频均值电流控制方法包括步骤：
S201，根据DC/DC电路的输出电压以及燃料电池的输出电压，通过斜率计算得到电感电流实时变化率；
S202，根据DC/DC电路的输出电压经过外环电压控制得到电感的给定电流值；
S203，结合电流给定值以及电感电流实时变化率，计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间。
进一步的是，所述步骤S201中电感电流实时变化率的计算步骤包括：
在每个控制周期的起始阶段，采集DC/DC电路的输出电压Vout；
通过斜率计算，得到电感电流实时变化率p；所述电感电流实时变化率p包括电感电流的上升斜率p1和电感电流的下降斜率p2。
进一步的是，所述斜率计算的计算公式为：
其中，Vfc是燃料电池的输出电压，Voutn是DC/DC电路第n个控制周期采集的DC/DC电路的输出电压，L是DC/DC电路的电感值。
进一步的是，所述步骤S202中，给定电流值的运算公式为：
其中，为DC/DC电路的输出电压参考给定值。
是用于与平均电流相比较，两者的大小决定电流峰值，进而影响DC/DC电路的导通和关断时间，进而控制每个电堆的输出功率。
进一步的是，所述步骤S203中，根据电感电流值iL和给定电流值分别计算出开关导通时间和开关关断时间，计算步骤包括：
首先，计算电流均值
其中，通过斜率计算p11和p22为根据输出电压给定值得到的变化斜率值，更加贴近实际运行状态；
然后，进行开关导通时间和开关关断时间的计算：
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
其中：ton_n为第n个控制周期开关导通的时间；toff_n为第n个控制周期开关关断的时间；Tc为所期望的控制周期大小。
另一方面，本发明还提供了一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制系统，包括主控器和多个燃料电池发电模组相互并联构成的燃料电池发电系统，所述燃料电池发电模组包括燃料电池、DC/DC电路和调控电路；各个模组中的调控电路均连接至主控器，所述主控器监控各燃料电池发电模组工况；
所述燃料电池的电能输出端连接至DC/DC电路，通过DC/DC电路调节燃料电池发电模组的输出功率，从而通过主控器调节整个系统的输出功率；
所述调控电路连接至DC/DC电路，调控电路采集DC/DC电路的输出电压和电感电流信号，通过调控电路计算电感电流在开关控制下的斜率变换得到占空比，通过准定频均值电流控制进行DC/DC电路控制，实现燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出的控制。
进一步的是，所述调控电路包括数据采集模块、外环电压控制模块、斜率计算模块、开关控制模块和调制解调模块，所述数据采集模块的输入端连接至DC/DC电路，所述数据采集模块的输出端连接至外环电压控制模块和开关控制模块，所述外环电压控制模块分别连接至斜率计算模块和开关控制模块，所述斜率计算模块连接至开关控制模块，所述开关控制模块连接至调制解调模块的输入端，所述调制解调模块的输出端连接至DC/DC电路的控制端。
采用本技术方案的有益效果：
本发明能够有效提高DC/DC电路的动态响应性能；
本发明采用的控制方法在进行开关控制过程中运算量小，在保证DC/DC输出电压满足负载需求的同时，控制方法易于实现；
本发明能够有效消除传统电流纹波控制中电流内环不稳定的现象，保证了燃料电池的输出功率的稳定性；
本发明的控制方法有较为广泛的应用范围，具有极高的通用性，能够应用于与BUCK变换器类似的大量电源电路中；
本发明的控制方式下，DC/DC电路在输入电压范围宽的条件下稳定输出电压，并且具有输入电流纹波小和动态响应速度快的突出优点；
在燃料电池发电阵列系统中，多套燃料电池系统采用并联的拓扑结构，通过本控制方法，控制DC/DC电路中电感电流的均值，进而控制各个电堆的功率按照负载需求输出。
附图说明
图1为本发明的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法的流程示意图；
图2为本发明实施例中DC/DC电路的准定频均值电流控制系统框图；
图3为本发明实施例中DC/DC电路中斜率计算框图；
图4为本发明实施例中DC/DC电路中开关导通时间和关断时间计算框图；
图5为本发明实施例中一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制系统的结构示意图。
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，一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，包括步骤：
S100，采集DC/DC电路的输出电压和电感电流，采集燃料电池的输出电压；
S200，通过准定频均值电流控制方法计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间；
S300，利用开关导通时间和开关关断时间，经过调制解调获得开关控制信号，从而控制DC/DC电路；
S400，通过控制各个DC/DC电路，控制燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出。
作为上述实施例的优化方案，如图2-图4所示，所述步骤S200中准定频均值电流控制方法包括步骤：
S201，根据DC/DC电路的输出电压以及燃料电池的输出电压，通过斜率计算得到电感电流实时变化率；
S202，根据DC/DC电路的输出电压经过外环电压控制得到电感的给定电流值；
S203，结合电流给定值以及电感电流实时变化率，计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间。
1.斜率计算：
将每套燃料电池系统中采集的DC/DC变换器的输出电压、燃料电池的输出电压值以及DC/DC电路中电感电流值进行处理和运算，得到在一个开关周期内的电感电流的实时变化率，在开关的导通阶段，分为电感电流的上升斜率p1和电感电流下降斜率p2，实现开关斜率的计算。
如图3所示，将DC/DC变换器的输出电压信号与燃料电池的输出电压信号进行计算：利用输入电压Vfc减去输出电压Voutn的差除以电感值L得到DC/DC变换器在一个开关周期内电感电流在开关导通时的上升斜率p1，利用输出电压Voutn除以电感值L得到DC/DC变换器电感电流在开关关断时的下降斜率p2。
具体实施时,所述电感电流实时变化率的计算步骤包括：
在每个控制周期的起始阶段，采集DC/DC电路的输出电压Vout；
通过斜率计算，得到电感电流实时变化率p；所述电感电流实时变化率p包括电感电流的上升斜率p1和电感电流的下降斜率p2。
其中，所述斜率计算的计算公式为：
其中，Vfc是燃料电池的输出电压，Voutn是DC/DC电路第n个控制周期采集的DC/DC电路的输出电压，L是DC/DC电路的电感值。
2.给定电流值计算：
根据DC/DC电路的输出电压经过外环电压控制得到电感的给定电流值。
具体实施时,给定电流值的运算公式为：
其中，为DC/DC电路的输出电压参考给定值。
3.开关控制：
将上述得到的电感电流变化率和给定电流值，以及采集的DC/DC电路中电感电流值进行处理和运算，实现开关导通时间和关断时间的计算；再将开关信号通过调制解调模块转换为数字脉冲信号，实现开关控制器的控制。
如图4所示，DC/DC变换器在一个开关周期内的导通时间和关断时间计算框图。
具体实施时,根据电感电流值iL和给定电流值分别计算出开关导通时间和开关关断时间，计算步骤包括：
首先，计算电流均值
其中，通过斜率计算
然后，进行开关导通时间和开关关断时间的计算：
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
其中：ton_n为第n个控制周期开关导通的时间；toff_n为第n个控制周期开关关断的时间；Tc为所期望的控制周期大小。
为配合本发明方法的实现，基于相同的发明构思，如图5所示，本发明还提供了一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制系统，包括主控器和多个燃料电池发电模组相互并联构成的燃料电池发电系统，所述燃料电池发电模组包括燃料电池、DC/DC电路和调控电路；各个模组中的调控电路均连接至主控器，所述主控器监控各燃料电池发电模组工况；
所述燃料电池的电能输出端连接至DC/DC电路，通过DC/DC电路调节燃料电池发电模组的输出功率，从而通过主控器调节整个系统的输出功率；
所述调控电路连接至DC/DC电路，调控电路采集DC/DC电路的输出电压和电感电流信号，通过调控电路计算电感电流在开关控制下的斜率变换得到占空比，通过准定频均值电流控制进行DC/DC电路控制，实现燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出的控制。
作为上述实施例的优化方案，如图2所示，所述调控电路包括数据采集模块、外环电压控制模块、斜率计算模块、开关控制模块和调制解调模块，所述数据采集模块的输入端连接至DC/DC电路，所述数据采集模块的输出端连接至外环电压控制模块和开关控制模块，所述外环电压控制模块分别连接至斜率计算模块和开关控制模块，所述斜率计算模块连接至开关控制模块，所述开关控制模块连接至调制解调模块的输入端，所述调制解调模块的输出端连接至DC/DC电路的控制端。
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阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，包括步骤：
S100，采集DC/DC电路的输出电压和电感电流，采集燃料电池的输出电压；
S200，通过准定频均值电流控制方法计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间；
S300，利用开关导通时间和开关关断时间，经过调制解调获得开关控制信号，从而控制DC/DC电路；
S400，通过控制各个DC/DC电路，控制燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出。
2.根据权利要求1所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，所述步骤S200中准定频均值电流控制方法包括步骤：
S201，根据DC/DC电路的输出电压以及燃料电池的输出电压，通过斜率计算得到电感电流实时变化率；
S202，根据DC/DC电路的输出电压经过外环电压控制得到电感的给定电流值；
S203，结合电流给定值以及电感电流实时变化率，计算DC/DC电路的开关导通时间和开关关断时间。
3.根据权利要求2所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，所述步骤S201中电感电流实时变化率的计算步骤包括：
在每个控制周期的起始阶段，采集DC/DC电路的输出电压Vout；
通过斜率计算，得到电感电流实时变化率p；所述电感电流实时变化率p包括电感电流的上升斜率p1和电感电流的下降斜率p2。
4.根据权利要求3所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，所述斜率计算的计算公式为：
其中，Vfc是燃料电池的输出电压，Voutn是DC/DC电路第n个控制周期采集的DC/DC电路的输出电压，L是DC/DC电路的电感值。
5.根据权利要求4所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，所述步骤S202中，给定电流值的运算公式为：
其中，为DC/DC电路的输出电压参考给定值。
6.根据权利要求5所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制方法，其特征在于，所述步骤S203中，根据电感电流值iL和给定电流值分别计算出开关导通时间和开关关断时间，计算步骤包括：
首先，计算电流均值
其中，通过斜率计算
然后，进行开关导通时间和开关关断时间的计算：
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
当时：则电流峰值为
当iL≤ipeak时
当iL＞ipeak时
其中：ton_n为第n个控制周期开关导通的时间；toff_n为第n个控制周期开关关断的时间；Tc为所期望的控制周期大小。
7.一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制系统，其特征在于，包括主控器和多个燃料电池发电模组相互并联构成的燃料电池发电系统，所述燃料电池发电模组包括燃料电池、DC/DC电路和调控电路；各个模组中的调控电路均连接至主控器，所述主控器监控各燃料电池发电模组工况；
所述燃料电池的电能输出端连接至DC/DC电路，通过DC/DC电路调节燃料电池发电模组的输出功率，从而通过主控器调节整个系统的输出功率；
所述调控电路连接至DC/DC电路，调控电路采集DC/DC电路的输出电压和电感电流信号，通过调控电路计算电感电流在开关控制下的斜率变换得到占空比，通过准定频均值电流控制进行DC/DC电路控制，实现燃料电池系统中各个燃料电池的功率输出的控制。
8.根据权利要求7所述的一种燃料电池发电阵列系统的功率输出控制系统，其特征在于，所述调控电路包括数据采集模块、外环电压控制模块、斜率计算模块、开关控制模块和调制解调模块，所述数据采集模块的输入端连接至DC/DC电路，所述数据采集模块的输出端连接至外环电压控制模块和开关控制模块，所述外环电压控制模块分别连接至斜率计算模块和开关控制模块，所述斜率计算模块连接至开关控制模块，所述开关控制模块连接至调制解调模块的输入端，所述调制解调模块的输出端连接至DC/DC电路的控制端。
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