CN111416383B - 抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法。本发明一种抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，包括：燃料电池的主电路由电网、并网逆变器、DC/DC变换器、燃料电池电堆串联连接，用于实现燃料电池并网发电功能；燃料电池的温控循环系统辅助供电回路由启动电源、DC/DC变换器、加热体与电泵并联连接构成，主要用于维持燃料电池反应温度以及控制电解液循环速度；其中，DC/DC变换器由交错并联BuckBoost电路与高频隔离全桥DC/DC电路串联构成，并网逆变器由三相全桥DC/AC电路构成。本发明的有益效果：有效抑制燃料电池自启动过程的电流冲击，可大幅减少实际电感使用需求，降低系统体积重量，提高功率密度。

Description

抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法
技术领域
本发明涉及燃料电池系统控制领域，具体涉及一种抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法。
背景技术
甲醇重整燃料电池属于质子交换膜燃料电池中的一类，甲醇溶液作为主要燃料与去离子水以等摩尔比混合后进入重整室，并通过高温反应CH3OH+H2O→CO2+3H2(ΔH298＝49.4kJ/mol)生产二氧化碳和氢气，随后氢气进入燃料电池系统，通过电解水的逆反应把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。其具备功率和容量可独立设计、安全可靠、寿命长、维护成本低等优点，使其在电动汽车、应急电源、电网调峰等领域有着极其广阔的应用前景。燃料电池系统主要由温控循环系统和电池电堆两部分组成，温控循环系统用于控制重整室反应温度与电解液循环速度，而电堆通过质子交换膜使得正负电解液在其中发生氧化还原反应实现电能与化学能的转化。
燃料电池系统供电端与电堆电极间通过电堆主闸相连，正常工作时主闸闭合，主电堆电极与温控循环系统的供电端直接连接，电网断电后温控循环系统仍可以通过主电堆供电，从而保障其作为后备电源的可靠性。但在温控循环系统启动前，主闸为断开状态，需先经外部变流器启动温控循环系统，待电解液流入电堆且达到反应温度后，电堆主闸才可闭合。由于温控循环系统中的电泵设备需采用恒压模式供电，当主闸闭合瞬间，电堆反电动势与温控循环系统变流器的电压值之差作用在电池内阻上，并产生电流冲击，若电流峰值超过电池所能承受最大值，则会导致燃料电池本体失效。
传统技术存在以下技术问题：
传统技术仅通过限流电感抑制该并网自启动冲击电流，但由于燃料电池内阻较小，且随温度、压力、燃料纯度等参数状态变化明显，所以通常需要为变流器的直流端配置较大电感才能抑制自启动过程中产生的冲击电流上升幅度和电流峰值，从而大幅牺牲了燃料电池并网系统的体积功率密度和重量功率密度。
发明内容
本发明要解决的技术问题燃料电池电堆主电路由电网、并网逆变器、DC/DC变换器、燃料电池电堆串联连接，主要实现燃料电池并网发电功能；温控循环系统辅助供电回路由启动电源、DC/DC变换器、加热体与电泵并联连接构成，主要用于维持燃料电池反应温度以及控制电解液循环速度；系统自启动期间，启动电源经DC/DC变换器向加热体及电泵提供恒定直流电压的辅助电源，一方面通过加热体维持燃料电池重整室及电堆反应温度，同时通过电泵为燃料电池电解液循环提供动力；自启完成后，燃料电池主电堆具备初始内电动势，通过电压传感器检测电堆内电动势电压值，并与DC/DC变换器低压侧恒压值做差，并通过DC/DC变换器控制程序增加变换器低压侧与电池内电动势之间的虚拟阻抗虚拟阻抗算法，将上述电压差作用于该虚拟阻抗上即可抑制DC/DC变换器开关频率以下的冲击电流分量，再通过一较小感值的平波电抗器抑制系统开关频率以上的冲击电流分量，从而实现自启动过程中由于主闸闭合切换电源回路而产生的冲击电流；本发明解决了现有技术方案中需要通过感值较大的平波电感抑制自启动冲击电流的问题，通过在并网程序中写入虚拟阻抗控制模块，并采样燃料电池主电堆初始内电动势，从而有效降低系统所需平波电抗器的感抗值，同时也能够大幅提高燃料电池并网逆变器的体积功率密度与重量功率密度；本发明还解决了现有技术方案中需要为温控循环系统单独配置变换器的问题，通过复用燃料电池并网装置中的DC/DC变换器部分，使其在自启动过程中为温控循环系统供电，在电堆启动完成后启动电源可切出，温控循环系统由主电堆供电，DC/DC变换器作为主电堆的升压变化模块，将功率由并网逆变器馈入电网。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，包括：燃料电池的主电路由电网、并网逆变器、DC/DC变换器、燃料电池电堆串联连接，用于实现燃料电池并网发电功能；燃料电池的温控循环系统辅助供电回路由启动电源、DC/DC变换器、加热体与电泵并联连接构成，用于维持燃料电池反应温度以及控制电解液循环速度；其中，DC/DC变换器由交错并联BuckBoost电路与高频隔离全桥DC/DC电路串联构成，并网逆变器由三相全桥DC/AC电路构成；
系统接受到自启动指令后启动刀闸闭合，此时BuckBoost电路工作在降压模式，控制低压侧电容C1两端电压为温控循环系统所需恒定值，启动电源经过交错并联BuckBoost电路降压后为加热体及电泵负载提供所需的恒压辅助电源，为燃料电池重整室加温以及提供电解液循环所需动力；在交错并联BuckBoost电路输出电压参考值后引入虚拟阻抗控制，采样获得的实际输出电流变化率作用于虚拟阻抗上可产生虚拟感生电动势，交错并联BuckBoost电路输出电压参考值减去该电动势即得到交错并联BuckBoost电路实际输出电压值；待温重整室达到反应温度且电解液循环正常，控循环系统自检完成后，主闸闭合投入燃料电池，启动刀闸断开切出启动电源。
在其中一个实施例中，其中交错并联BuckBoost电路包含电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4；交错并联BuckBoost电路低压侧电容C1连接至电解液循环电泵及重整室加热体，同时C1通过电堆主闸K1连接至燃料电池电堆正负电极，交错并联BuckBoost电路高压侧电容C2通过启动刀闸K2连接至启动电源正负极。
在其中一个实施例中，高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4。
在其中一个实施例中，三相全桥DC/AC电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6，并通过三相滤波器及并网开关连接至电网。
在其中一个实施例中，主闸闭合后交错并联BuckBoost电路工作于升压模式，控制高压侧电容C2两端电压为恒定值，高频隔离全桥DC/DC电路启动，控制电容C3两端电压为恒定值，三相全桥DC/AC启动并网控制，三相并网开关闭合，功率由燃料电池经交错并联BuckBoost电路、高频隔离DC/DC电路及三相全桥DC/AC电路流入三相电网，整个自启动过程全部完成。
在其中一个实施例中，并网过程中系统持续进行孤岛检测，若处于并网状态，系统按上位机指令持续向电网馈入所需功率值，若处于离网状态，三相全桥DC/AC由恒功率控制改为电压源控制模式，按要求控制三相输出电压幅值与频率，维持孤岛系统负载运行，若系统出现燃料不足或其他故障，则需停机并发出警告。
在其中一个实施例中，“在交错并联BuckBoost电路输出电压参考值后引入虚拟阻抗控制，采样获得的实际输出电流变化率作用于虚拟阻抗上可产生虚拟感生电动势，交错并联BuckBoost电路输出电压参考值减去该电动势即得到交错并联BuckBoost电路实际输出电压值”具体包括：主闸闭合前，BuckBoost工作于降压模式，低压侧电压为温控循环系统所需的恒压值为Uref，实际输出电压采用值为U0，此时采样系统反馈的燃料电池初始内电势为E0，通过在U0与E0间建立虚拟阻抗，可有效降低降低主闸闭合瞬间的冲击电流；已知燃料电池本体的电流上升率阈值为(di/dt)m，电流幅值阈值为Im，则虚拟电抗设为Lv＝(U0-E0)/(di/dt)m，电流限幅值0.9Im，将虚拟阻抗写入控制程序，首先通过虚拟电抗与输出电流作用使得输出电路呈现所需阻抗特性，再通过电压外环PI控制实际输出电压，最后通过电流内环PI控制限制输出电流幅值，产生的参考信号作为交错并联BuckBoost的PWM参考波。
在其中一个实施例中，
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现任一项所述方法的步骤。
基于同样的发明构思，本申请还提供一种处理器，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行任一项所述的方法。
本发明的有益效果：
通过增加虚拟阻抗控制、电压电流双闭环限流控制，有效抑制燃料电池自启动过程的电流冲击，在现有完全依靠平波电感抑制冲击电流的基础上，可大幅减少实际电感使用需求，降低系统体积重量，提高功率密度。
通过构建由交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC、三相全桥DC/AC串联的并网变换器拓扑结构避免系统为实现自启动重复配置启动电源控制电路，通过控制策略复用BuckBoost电路，节约了系统总体投资，节省了系统的占地面积和体积重量，提高了系统的功率密度。
附图说明
图1是本发明抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法中的系统连接结构框图。
图2是本发明抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法的电路拓扑示意图。
图3是本发明抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法的流程示意图。
图4是本发明抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法的虚拟阻抗控制框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示为本发明提出的用于抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流控制方法的系统连接结构框图。燃料电池电堆主电路由电网、并网逆变器、DC/DC变换器、燃料电池电堆串联连接，主要实现燃料电池并网发电功能；温控循环系统辅助供电回路由启动电源、DC/DC变换器、加热体与电泵并联连接构成，主要用于维持燃料电池反应温度以及控制电解液循环速度。其中，DC/DC变换器由交错并联BuckBoost电路与高频隔离全桥DC/DC电路串联构成，并网逆变器由三相全桥DC/AC电路构成。
如图2所示为本发明提出的用于抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流控制方法对应的电路拓扑示意图，其中交错并联BuckBoost电路包含电容C1和C2、电感L1和L2、开关管S1至S4、二极管D1至D4；高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4；三相全桥DC/AC电路包含自带反并二极管的开关管Sc1至Sc6，并通过三相滤波器及并网开关连接至电网；交错并联BuckBoost电路低压侧电容C1连接至电解液循环电泵及重整室加热体，同时C1通过电堆主闸K1连接至燃料电池电堆正负电极，交错并联BuckBoost电路高压侧电容C2通过启动刀闸K2连接至启动电源正负极。
如图3所示为本发明提出的用于抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流控制方法对应的系统总体运行控制流程图，系统接受到自启动指令后启动刀闸闭合，此时BuckBoost电路工作在降压模式，控制低压侧电容C1两端电压为温控循环系统所需恒定值，启动电源经过交错并联BuckBoost电路降压后为加热体及电泵负载提供所需的恒压辅助电源，为燃料电池重整室加温以及提供电解液循环所需动力；在交错并联BuckBoost电路输出电压参考值后引入虚拟阻抗控制，采样获得的实际输出电流变化率作用于虚拟阻抗上可产生虚拟感生电动势，交错并联BuckBoost电路输出电压参考值减去该电动势即得到交错并联BuckBoost电路实际输出电压值；待温重整室达到反应温度且电解液循环正常，控循环系统自检完成后，主闸闭合投入燃料电池，启动刀闸断开切出启动电源，由于燃料电池初始内电动势与低压侧电容C1之间产生电压差，且此时BuckBoost电路仍工作在恒压控制模式，此电压差作用在较小内阻上即产生冲击电流，若该过程造成的冲击电流峰值超过燃料电池本体所能承受的电流阈值，则会导致燃料电池本体及整套系统失效，通过在交错并联BuckBoost电路输出电压后增加虚拟阻抗控制即可抑制该自启动冲击电流的上升率及幅值；主闸闭合后交错并联BuckBoost电路工作于升压模式，控制高压侧电容C2两端电压为恒定值，高频隔离全桥DC/DC电路启动，控制电容C3两端电压为恒定值，三相全桥DC/AC启动并网控制，三相并网开关闭合，功率由燃料电池经交错并联BuckBoost电路、高频隔离DC/DC电路及三相全桥DC/AC电路流入三相电网，整个自启动过程全部完成；并网过程中系统持续进行孤岛检测，若处于并网状态，系统按上位机指令持续向电网馈入所需功率值，若处于离网状态，三相全桥DC/AC由恒功率控制改为电压源控制模式，按要求控制三相输出电压幅值与频率，维持孤岛系统负载运行，若系统出现燃料不足或其他故障，则需停机并发出警告。
如图4所示为本发明提出的用于抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流控制方法中的控制流程图中的虚拟阻抗控制对应的具体控制框图，主闸闭合前，BuckBoost工作于降压模式，低压侧电压为温控循环系统所需的恒压值为Uref，实际输出电压采用值为U0，此时采样系统反馈的燃料电池初始内电势为E0，通过在U0与E0间建立虚拟阻抗，可有效降低降低主闸闭合瞬间的冲击电流；已知燃料电池本体的电流上升率阈值为(di/dt)m，电流幅值阈值为Im，则虚拟电抗设为Lv＝(U0-E0)/(di/dt)m，电流限幅值0.9Im，将虚拟阻抗以离散化形式写入控制程序，首先通过虚拟电抗与输出电流作用使得输出电路呈现所需阻抗特性，再通过电压外环PI控制实际输出电压，最后通过电流内环PI控制限制输出电流幅值，产生的参考信号作为交错并联BuckBoost的PWM参考波。
下面介绍一个本发明的具体应用场景：
如图1所示，系统运行的具体实施方式如下：系统首先运行在自启动模式，交错并联BuckBoost电路以降压模式控制输出电压，使得启动电源向加热体及电泵提供其所需的稳定直流电源，当重整室温度达到反应要求并且电解液循环正常后，待系统自检完毕确认电堆正常发电后闭合电堆主闸，此时温控循环系统所需电源可由燃料电池自主供给，交错并联BuckBoost电路切换至升压模式运行，高频隔离全桥DC/DC电路启动，工作于升压模式，三相全桥DC/AC电路启动，工作于并网逆变模式，并根据上位指令控制并网发电功率。
如图2、图3、图4所示，系统控制的具体实施方式如下：
自启动模式的控制：启动刀闸闭合，启动电源电压约150V，BuckBoost开关管S1、S3与S2、S4运行在降压模式，控制低压侧输出电压为48V，并两组BuckBoost电路载波移相相差180°的交错并联运行，降低输出电流纹波。
抑制冲击电流的控制：电堆主闸闭合，启动刀闸断开，由于电堆初始内电动势与低压侧受控电压不同，对系统产生冲击电流，BuckBoost电路进入限流控制模式，此时虚拟阻抗控制模块产生作用，限制输出电流上升率在燃料电池本体所能承受的最大电流上升率阈值之内，电流内环限幅模块作用使得输出电流控制在燃料电池所能承受的最大电流阈值之内，本实施例使用的燃料电池电流额定值为100A，允许最大冲击电流150A，允许最大电流上升率300A/ms,考虑到闭环过调制等因素的影响，实际控制中的电流限幅值设为135A。
并网模式的控制：自启动完成后，交错并联BuckBoost电路的S1至S4开关管工作于升压模式，控制电容C2电压为150V，高频隔离DC/DC启动，低压侧全桥四个开关管Sa1至Sa4与高压侧开关管Sb1至Sb4采用双边移相控制，占空比固定为50％，通过两组全桥开关波形的相位差控制高压侧电容C3电压为750V，三相全桥DC/AC启动，开关管Sc1至Sc6工作于功率源模式，根据电网电压矢量的相位与幅值信息，控制交流侧输出电流的相位与幅值，使之满足当前电网所需的功率值，默认设置功率因数为1，即电压、电流同相位，仅向电网送入指定的有功功率，同时在并网过程中始终进行孤岛检测。
离网模式的控制：若由于外部电网故障使得孤岛检测信号出现，系统三相并网开关断开，燃料电池并网装置自动切换为离网模式控制，保障本地重要负载运行。此时，交错并联BuckBoost电路的S1至S4开关管工作于升压模式，控制电容C2电压为150V，高频隔离DC/DC电路的低压侧全桥四个开关管Sa1至Sa4与高压侧开关管Sb1至Sb4采用移相控制，占空比固定为50％，通过两组全桥开关波形的相位差控制高压侧电容C3电压为750V，三相全桥DC/AC工作于电压源模式，根据系统要求控制输出三相线电压380V，频率50Hz，从而为本地重要负载提供持续电力供应。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，其特征在于，所述燃料电池的主电路由电网、并网逆变器、DC/DC变换器、燃料电池电堆串联连接，用于实现燃料电池并网发电功能；所述燃料电池的温控循环系统辅助供电回路由启动电源、DC/DC变换器、加热体与电泵构成，用于维持燃料电池反应温度以及控制电解液循环速度；其中，DC/DC变换器由交错并联BuckBoost电路与高频隔离全桥DC/DC电路串联构成，并网逆变器由三相全桥DC/AC电路构成；
所述控制方法包括：系统接受到自启动指令后启动刀闸闭合，此时交错并联BuckBoost电路工作在降压模式，控制所述交错并联BuckBoost电路的低压侧电容C1两端电压为温控循环系统所需恒定值，启动电源经过交错并联BuckBoost电路降压后为加热体及电泵负载提供所需的恒压辅助电源，为燃料电池重整室加温以及提供电解液循环所需动力；在交错并联BuckBoost电路输出电压参考值后引入虚拟阻抗控制，采样获得的实际输出电流作用于虚拟阻抗上可产生虚拟感生电动势，交错并联BuckBoost电路输出电压参考值减去该电动势即得到交错并联BuckBoost电路实际输出电压参考值；待所述燃料电池重整室达到反应温度且电解液循环正常，温控循环系统自检完成后，主闸闭合投入燃料电池，启动刀闸断开切出启动电源；
“在交错并联BuckBoost电路输出电压参考值后引入虚拟阻抗控制，采样获得的实际输出电流作用于虚拟阻抗上可产生虚拟感生电动势，交错并联BuckBoost电路输出电压参考值减去该电动势即得到交错并联BuckBoost电路实际输出电压参考值”具体包括：主闸闭合前，交错并联BuckBoost电路工作于降压模式，低压侧电压为温控循环系统所需的恒压值为Uref，实际输出电压采样值为U0，此时采样系统反馈的燃料电池初始内电势为E0，通过在U0与E0间建立虚拟阻抗，可有效降低主闸闭合瞬间的冲击电流；已知燃料电池本体的电流上升率阈值为 (di/dt)m，电流幅值阈值为Im，则虚拟电抗设为LV= (U0-E0)/ (di/dt)m，电流限幅值0.9Im，将虚拟电抗写入控制程序，首先通过虚拟电抗与输出电流作用使得输出电路呈现所需阻抗特性，再通过电压外环PI控制实际输出电压，最后通过电流内环PI控制限制输出电流幅值，产生的参考信号作为交错并联BuckBoost电路的PWM参考波。
2.如权利要求1所述的抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，其特征在于，高频隔离全桥DC/DC电路为在高频变压器T1的初级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sa1至Sa4，次级端连接接成桥式结构的自带反并二极管的开关管Sb1至Sb4。
3.如权利要求1所述的抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，其特征在于，主闸闭合后交错并联BuckBoost电路工作于升压模式，控制所述交错并联BuckBoost电路的高压侧电容C2两端电压为恒定值，高频隔离全桥DC/DC电路启动，控制所述三相全桥DC/AC电路直流侧并联的电容C3两端电压为恒定值，三相全桥DC/AC电路启动并网控制，三相并网开关闭合，功率由燃料电池经交错并联BuckBoost电路、高频隔离全桥DC/DC电路及三相全桥DC/AC电路流入三相电网，整个自启动过程全部完成。
4.如权利要求1所述的抑制甲醇重整氢燃料电池并网自启动冲击电流的控制方法，其特征在于，并网过程中系统持续进行孤岛检测，若处于并网状态，系统按上位机指令持续向电网馈入所需功率值，若处于离网状态，三相全桥DC/AC电路由恒功率控制改为电压源控制模式，按要求控制三相输出电压幅值与频率，维持孤岛系统负载运行，若系统出现燃料不足或其他故障，则需停机并发出警告。
5.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1到4任一项所述方法的步骤。
6.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1到4任一项所述方法的步骤。
7.一种处理器，其特征在于，所述处理器用于运行程序，其中，所述程序运行时执行权利要求1到4任一项所述的方法。
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