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      一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法

      文檔序號:7338956閱讀:196來源:國知局
      專利名稱:一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法
      技術領域
      本發(fā)明涉及一種不間斷電源電源無縫切換控制方法,尤其是涉及一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法。
      背景技術
      采用燃料電池作為備用電源的不間斷電源裝置比采用蓄電池作為備用能源的不間斷電源裝置具有備用時間長、可靠性高、環(huán)保等優(yōu)點。燃料電池不間斷電源系統(tǒng)不僅應保證工作模式正常運行,還需要實現工作模式間無縫切換,實現供電連續(xù)。為了保障燃料電池長壽命,燃料電池采用冷備用方式,同時燃料電池輸出響應慣性較大,頻繁的負載快速波動將縮短燃料電池的壽命,燃料電池理想的運行條件是要讓它的輸出盡量平穩(wěn),燃料電池的特殊性決定了切換方式與傳統(tǒng)不間斷電源有明顯區(qū)別。按照傳統(tǒng)不間斷電源的切換方法, 燃料電池直接帶載冷啟動,會出現啟動失效,同時會威脅到燃料電池的安全和使用壽命。

      發(fā)明內容
      本發(fā)明的目的是提供一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法,以解決燃料電池的冷啟動和輸出功率平穩(wěn)變化,保證燃料電池的安全、使用壽命和負載供電不間斷,實現燃料電池供電模式和逆變供電模式的無縫切換。本發(fā)明采用的技術方案是
      一、在逆變供電模式向燃料電池供電模式切換時方法如下
      1)在燃料電池冷啟動階段,能量管理單元控制母線電壓,提供負載能量,直到燃料電池空載冷啟動完畢;
      2)燃料電池空載冷啟動完畢后,直流-直流變換器啟動控制母線電壓,能量管理單元轉為電流控制模式,控制輸出電流下降,使燃料電池輸出電流上升;
      二、在燃料電池供電模式向逆變供電模式切換時方法如下
      整流器啟動控制母線電壓,直流_直流變換器轉為電流控制模式,控制燃料電池輸出電流下降,從而實現了模式間無縫切換。在逆變供電模式和燃料電池供電模式切換過程中,能量管理單元的切換控制通過第一超級電容電壓控制環(huán)節(jié)、第二超級電容電壓控制環(huán)節(jié)、第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)、第一母線電壓控制環(huán)節(jié)、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)、第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)和切換控制開關Tran_sig來實現。當Trarusig為1時,系統(tǒng)運行于燃料電池冷啟動階段,能量管理單元通過第一母線電壓控制環(huán)節(jié)、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制母線電壓,當Trarusig為2時,系統(tǒng)運行于能量管理單元輔助燃料電池帶載階段,能量管理單元通過第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制輸出電流下降到零,當Tran_sig為3時,系統(tǒng)運行于燃料電池獨立供電模式,能量管理單元通過第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制輸出電流跟蹤母線低頻電流紋波和突變電流,當Tran_sig 為O或4時,不平衡負載下,能量管理單元通過第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制輸出電流跟蹤母線低頻電流紋波。 在逆變供電模式和燃料電池供電模式切換過程中,直流-直流變換器的切換控制通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)、第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)和切換控制開關 Tran_sig來實現。當Tran_Sig為0、1時,直流-直流變換器不工作,當Tran_Sig為2、3時,直流-直流變換器工作于電壓控制模式,通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制母線電壓,當Tran_s i g為4時,整流器啟動階段,直流-直流變換器工作于電流控制模式,通過第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)控制燃料電池電流下降到零。本發(fā)明具有的有益效果是
      本發(fā)明的一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法,實現了燃料電池供電模式和逆變供電模式的無縫切換,通過能量管理單元輔助燃料電池空載冷啟動,避免了燃料電池直接帶載冷啟動,在切換過程中控制燃料電池輸出功率緩慢變化,保證了燃料電池的安全和使用壽命,保證了切換過程中負載供電的連續(xù)性。


      圖1是本發(fā)明的整體切換控制方法示意圖。圖2是本發(fā)明的運行模式切換過程示意圖。圖3是圖2中0_tQ時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖4是圖2中、_、時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖5是圖2中、_、時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖6是圖2中、_、時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖7是圖2中、_、時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖8是圖2中、_、時刻系統(tǒng)運行示意圖。圖中1、第四母線電壓控制環(huán)節(jié),2、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié),3、第三母線電壓控制環(huán)節(jié),4、第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié),5、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié),6、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié),7、第二母線電壓控制環(huán)節(jié),8、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié),9、第一母線電壓控制環(huán)節(jié),10、第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié),11、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié),12、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié),13、第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié),14、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié),15、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié),16、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié),17、第二超級電容電壓控制環(huán)節(jié),18、第一超級電容電壓控制環(huán)節(jié),19、切換控制開關Tran_sig。
      具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖1所示,本發(fā)明的整體切 換控制方法示意圖,主電路包括旁路開關、整流器、 逆變器、燃料電池、直流-直流變換器、能量管理單元。當電網掉電時,逆變供電模式需要轉為燃料電池供電模式。當電網恢復,燃料電池供電模式需要轉為逆變供電模式。在逆變供電模式和燃料電池供電模式切換過程中,能量管理單元的切換控制通過第一超級電容電壓控制環(huán)節(jié)18、第二超級電容電壓控制環(huán)節(jié)17、第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)13、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)11、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)14、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)12、第一母線電壓控制環(huán)節(jié)9、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)7、第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)10、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)8、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)15和切換控制開關Tran_sig 19來實現。直流-直流變換器的切換控制通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)3、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)1、第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)4、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)2、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)5和切換控制開關Tran_sig 19來實現。逆變供電模式需要轉為燃料電池供電模式時,整流器關閉,燃料電池供電模式需要轉為逆變供電模式時,整流器開啟。如圖2所示,本發(fā)明的燃料電池供電模式和逆變供電模式切換過程示意圖。0-、 段逆變供電階段,t:、為電網失效檢測階段,trt2為燃料電池冷啟動階段,t2、3為能量管理單元輔助燃料電池帶載切換階段,t3、4為燃料電池供電模式階段,t:t5為整流器啟動階段,t>t5為逆變供電模式??紤]到燃料電池冷備用和燃料電池輸出功率盡量平穩(wěn)的限制條件,本發(fā)明的無縫切換控制方法可以保證燃料電池安全和長壽命,分階段說明如下
      階段ι 逆變供電模式階段(ο-、)
      如圖3所示,0-、時刻系統(tǒng)運行示意圖,本階段電網正常,燃料電池不間斷電源系統(tǒng)處于逆變供電模式,電網通過整流器、逆變器給負載供電,直流-直流變換器不工作。如圖1 所示,這段時間,Tran_sig 19為0,能量管理單元工作于電流控制模式,在負載不平衡時, 通過第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)13、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)11、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)15,跟蹤母線低頻電流紋波,主動吸收逆變產生的低頻紋波電流,減小母線電壓的波動,如圖3中粗實線表示。階段2 電網失效檢測階段UcTt1)
      如圖4所示,假設在、時刻電網掉電,在、時刻逆變器才能檢測出來,在段負載的能量只能靠母線電容來支撐,如圖4中粗實線表示。階段3 燃料電池冷啟動階段(、、2)
      為了保證燃料電池的長壽命,燃料電池采用冷備用方式。如圖5所示,、時刻電網掉電檢測成功,打開燃料電池入口電磁閥Sh2,使氫氣進入燃料電池,燃料電池開始冷啟動慢慢建立輸出電壓,燃料電池空載冷啟動時間約2. 5飛S。如果燃料電池直接帶載冷啟動,會出現啟動失效。如圖1所示,這段時間Tran_sig 19為1,能量管理單元工作于電壓控制模式,通過第一母線電壓控制環(huán)節(jié)9、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)7、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)15,控制上下母線電壓,維持負載能量,如圖5中粗實線表示,燃料電池則可以空載冷啟動。階段4 能量管理單元輔助燃料電池帶載切換(tft3)如圖6所示,t2時刻燃料電池空載冷啟動完畢,直流-直流變換器開始啟動。如圖1所示,這段時間Tran_sig 19為2,直流-直流變換器工作電壓控制模式,通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)3、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)1、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)5,控制母線電壓,如圖6中粗實線表示。同時能量管理單元轉為電流控制模式,電流的指令由t2 時刻的初始電流開始慢慢減小,通過第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)10、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)8、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)15,使能量管理單元的輸出功率慢慢下降,燃料電池的輸出功率慢慢增加,實現了燃料電池輸出功率緩慢上升,利于燃料電池的長壽命。這個階段可以人為的通過控制能量管理單元輸出電流下降率來保證燃料電池電流上升率。 階段5 燃料電池供電模式階段(tft4)
      如圖7所示,t3時刻燃料電池的帶載切換完成,系統(tǒng)開始了燃料電池供電模式,一直維持到電網恢復。如圖1所示,在燃料電池供電模式階段,Tran_sig 19為3,直流-直流變換器的任務是控制直流母線總電壓。能量管理單元在負荷突變時,通過第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)14、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)12、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)15,為燃料電池提供能量緩沖,同時在不平衡負載下,能量管理單元通過輸出電流的控制,跟蹤母線低頻電流紋波,減小母線電壓的波動,如圖7中粗實線表示。階段6 整流器啟動階段(t廣t5)
      如圖8所示,t4時刻,逆變器檢測到電網恢復,發(fā)信號啟動整流器,母線電壓由整流器控制,同時直流-直流變換器轉為電流運行模式,如圖8中粗實線表示。如圖1所示,Traru sig 19為4,直流-直流變換器通過第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)4、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)2、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)5,電流的指令由t4時刻的初始電流開始慢慢減小,下降率小于25A/s,這樣控制下燃料電池輸出功率慢慢下降,整流器的輸出功率被迫慢慢上升,實現了燃料電池供電模式和逆變供電模式的平穩(wěn)過渡。階段7 逆變供電模式(t>t5)
      t5時刻切換完成,新的一輪開始,系統(tǒng)開始逆變供電模式的運行,輸出功率由電網經整流、逆變提供。整流器的任務是控制直流母線電壓,逆變器的任務是控制輸出電壓質量。在負載不平衡時,能量管理單元通過輸出電流的控制,主動吸收逆變產生的低頻紋波電流,減小母線電壓的波動。
      權利要求
      1.一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法,其特征在于一、在逆變供電模式向燃料電池供電模式切換時方法如下1)在燃料電池冷啟動階段,能量管理單元控制母線電壓,提供負載能量,直到燃料電池空載冷啟動完畢;2)燃料電池空載冷啟動完畢后,直流-直流變換器啟動控制母線電壓,能量管理單元轉為電流控制模式,控制輸出電流下降,使燃料電池輸出電流上升;二、在燃料電池供電模式向逆變供電模式切換時方法如下整流器啟動控制母線電壓,直流_直流變換器轉為電流控制模式,控制燃料電池輸出電流下降,從而實現了模式間無縫切換。
      2.根據權利要求1所述的一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法,其特征在于 所述的在逆變供電模式和燃料電池供電模式切換過程中,能量管理單元的切換控制通過第一超級電容電壓控制環(huán)節(jié)(18)、第二超級電容電壓控制環(huán)節(jié)(17)、第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)(13)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)(11)、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)(14)、第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)(12)、第一母線電壓控制環(huán)節(jié)(9)、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)(7)、第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(10)、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(8)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、 第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)和切換控制開關Tran_Sig (19)來實現;當Trarusig為1時,系統(tǒng)運行于燃料電池冷啟動階段,能量管理單元通過第一母線電壓控制環(huán)節(jié)(9)、第二母線電壓控制環(huán)節(jié)(7)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)控制母線電壓,當Tran_sig為2時,系統(tǒng)運行于能量管理單元輔助燃料電池帶載階段,能量管理單元通過第一指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(10)、第二指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(8)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)控制輸出電流下降到零, 當Trarusig為3時,系統(tǒng)運行于燃料電池獨立供電模式,能量管理單元通過第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)(13)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)(11)、第一母線突變電流檢測環(huán)節(jié)(14)、 第二母線突變電流檢測環(huán)節(jié)(12)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié) (15)控制輸出電流跟蹤母線低頻電流紋波和突變電流,當Tran_sig為0或4時,不平衡負載下,能量管理單元通過第一母線低頻電流檢測環(huán)節(jié)(13)、第二母線低頻電流檢測環(huán)節(jié) (11)、第一電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)控制輸出電流跟蹤母線低頻電流紋波。
      3.根據權利要求1所述的一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法,其特征是所述的在逆變供電模式和燃料電池供電模式切換過程中,直流_直流變換器的切換控制通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)(3)、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)(1)、第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(4)、 第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(2)、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(5) 和切換控制開關Tran_Sig (19)來實現;當Tran_sig為0、1時,直流-直流變換器不工作,當Tran_sig為2、3時,直流-直流變換器工作于電壓控制模式,通過第三母線電壓控制環(huán)節(jié)(3)、第四母線電壓控制環(huán)節(jié)(1)、 第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(5)控制母線電壓,當Tran_sig為4 時,整流器啟動階段,直流-直流變換器工作于電流控制模式,通過第三指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(4)、第四指令電流勻速緩降環(huán)節(jié)(2)、第三電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內環(huán)控制環(huán)節(jié)(5 )控制燃料電池電流下降到零。
      全文摘要
      本發(fā)明公開一種燃料電池不間斷電源無縫切換控制方法。逆變供電模式向燃料電池供電模式切換時,在燃料電池冷啟動階段,能量管理單元控制母線電壓,提供負載能量,一旦燃料電池空載冷啟動完畢,直流-直流變換器啟動控制母線電壓,能量管理單元轉為電流控制模式,控制輸出電流緩慢下降,使燃料電池輸出電流緩慢上升,在燃料電池供電模式向逆變供電模式切換時,整流器啟動控制母線電壓,直流-直流變換器轉為電流控制模式,控制燃料電池輸出電流緩慢下降。本發(fā)明實現了燃料電池供電模式和逆變供電模式的無縫切換,避免了燃料電池直接帶載冷啟動,控制了燃料電池輸出功率緩慢變化,保證了燃料電池的安全和使用壽命,保證了切換過程中負載供電連續(xù)性。
      文檔編號H02J9/06GK102361345SQ20111032207
      公開日2012年2月22日 申請日期2011年10月21日 優(yōu)先權日2011年10月21日
      發(fā)明者吳小田, 孫超, 張文平, 徐德鴻, 李海津, 李霄, 董德智, 謝人, 陳敏 申請人:臺達環(huán)境與教育基金會, 浙江大學
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