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(shù)領(lǐng)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(shù)：
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(shí)間長、可靠性高、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。燃料電池不間斷電源系統(tǒng)不僅應(yīng)保證工作模式正常運(yùn)行，還需要實(shí)現(xiàn)工作模式間無縫切換，實(shí)現(xiàn)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(shí)燃料電池輸出響應(yīng)慣性較大，頻繁的負(fù)載快速波動(dòng)將縮短燃料電池的壽命，燃料電池理想的運(yùn)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(dòng)，會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)失效，同時(shí)會(huì)威脅到燃料電池的安全和使用壽命。

發(fā)明內(nèi)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(dòng)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(fù)載供電不間斷，實(shí)現(xiàn)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(shù)方案是
一、在逆變供電模式向燃料電池供電模式切換時(shí)方法如下
1)在燃料電池冷啟動(dòng)階段，能量管理單元控制母線電壓，提供負(fù)載能量，直到燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢；
2)燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢后，直流-直流變換器啟動(dòng)控制母線電壓，能量管理單元轉(zhuǎn)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(shí)方法如下
整流器啟動(dòng)控制母線電壓，直流_直流變換器轉(zhuǎn)為電流控制模式，控制燃料電池輸出電流下降，從而實(shí)現(xiàn)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(jí)電容電壓控制環(huán)節(jié)、第二超級(jí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)和切換控制開關(guān)Tran_sig來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Trarusig為1時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于燃料電池冷啟動(dòng)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)控制母線電壓，當(dāng)Trarusig為2時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)控制輸出電流下降到零，當(dāng)Tran_sig為3時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于燃料電池獨(dú)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內(nèi)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(dāng)Tran_sig 為O或4時(shí)，不平衡負(fù)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第二電流內(nèi)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)和切換控制開關(guān) Tran_sig來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)Tran_Sig為0、1時(shí)，直流-直流變換器不工作，當(dāng)Tran_Sig為2、3時(shí)，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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)控制母線電壓，當(dāng)Tran_s i g為4時(shí)，整流器啟動(dòng)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)、第四電流內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(dòng)，避免了燃料電池直接帶載冷啟動(dòng)，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(fù)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(yùn)行模式切換過程示意圖。圖3是圖2中0_tQ時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。圖4是圖2中、_、時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。圖5是圖2中、_、時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。圖6是圖2中、_、時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。圖7是圖2中、_、時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖。圖8是圖2中、_、時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，6、第三電流內(nèi)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，16、第一電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)，17、第二超級(jí)電容電壓控制環(huán)節(jié)，18、第一超級(jí)電容電壓控制環(huán)節(jié)，19、切換控制開關(guān)Tran_sig。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)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(guān)、整流器、 逆變器、燃料電池、直流-直流變換器、能量管理單元。當(dāng)電網(wǎng)掉電時(shí)，逆變供電模式需要轉(zhuǎn)為燃料電池供電模式。當(dāng)電網(wǎng)恢復(fù)，燃料電池供電模式需要轉(zhuǎn)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(jí)電容電壓控制環(huán)節(jié)18、第二超級(jí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)15和切換控制開關(guān)Tran_sig 19來實(shí)現(xiàn)。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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)5和切換控制開關(guān)Tran_sig 19來實(shí)現(xiàn)。逆變供電模式需要轉(zhuǎn)為燃料電池供電模式時(shí)，整流器關(guān)閉，燃料電池供電模式需要轉(zhuǎn)為逆變供電模式時(shí)，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(wǎng)失效檢測階段，trt2為燃料電池冷啟動(dòng)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(dòng)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(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行示意圖，本階段電網(wǎng)正常，燃料電池不間斷電源系統(tǒng)處于逆變供電模式，電網(wǎng)通過整流器、逆變器給負(fù)載供電，直流-直流變換器不工作。如圖1 所示，這段時(shí)間，Tran_sig 19為0，能量管理單元工作于電流控制模式，在負(fù)載不平衡時(shí)， 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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)15，跟蹤母線低頻電流紋波，主動(dòng)吸收逆變產(chǎn)生的低頻紋波電流，減小母線電壓的波動(dòng)，如圖3中粗實(shí)線表示。階段2 電網(wǎng)失效檢測階段UcTt1)
如圖4所示，假設(shè)在、時(shí)刻電網(wǎng)掉電，在、時(shí)刻逆變器才能檢測出來，在段負(fù)載的能量只能靠母線電容來支撐，如圖4中粗實(shí)線表示。階段3 燃料電池冷啟動(dòng)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(shí)刻電網(wǎng)掉電檢測成功，打開燃料電池入口電磁閥Sh2，使氫氣進(jìn)入燃料電池，燃料電池開始冷啟動(dòng)慢慢建立輸出電壓，燃料電池空載冷啟動(dòng)時(shí)間約2. 5飛S。如果燃料電池直接帶載冷啟動(dòng)，會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)失效。如圖1所示，這段時(shí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)15，控制上下母線電壓，維持負(fù)載能量，如圖5中粗實(shí)線表示，燃料電池則可以空載冷啟動(dòng)。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(shí)刻燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢，直流-直流變換器開始啟動(dòng)。如圖1所示，這段時(shí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)5，控制母線電壓，如圖6中粗實(shí)線表示。同時(shí)能量管理單元轉(zhuǎn)為電流控制模式，電流的指令由t2 時(shí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內(nèi)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(shí)現(xiàn)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(gè)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(shí)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(wǎng)恢復(fù)。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(wù)是控制直流母線總電壓。能量管理單元在負(fù)荷突變時(shí)，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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)16、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)15，為燃料電池提供能量緩沖，同時(shí)在不平衡負(fù)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(dòng)，如圖7中粗實(shí)線表示。階段6 整流器啟動(dòng)階段(t廣t5)
如圖8所示，t4時(shí)刻，逆變器檢測到電網(wǎng)恢復(fù)，發(fā)信號(hào)啟動(dòng)整流器，母線電壓由整流器控制，同時(shí)直流-直流變換器轉(zhuǎn)為電流運(yùn)行模式，如圖8中粗實(shí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)6、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)5，電流的指令由t4時(shí)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(shí)現(xiàn)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(shí)刻切換完成，新的一輪開始，系統(tǒng)開始逆變供電模式的運(yùn)行，輸出功率由電網(wǎng)經(jīng)整流、逆變提供。整流器的任務(wù)是控制直流母線電壓，逆變器的任務(wù)是控制輸出電壓質(zhì)量。在負(fù)載不平衡時(shí)，能量管理單元通過輸出電流的控制，主動(dòng)吸收逆變產(chǎn)生的低頻紋波電流，減小母線電壓的波動(dòng)。
權(quán)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(shí)方法如下1)在燃料電池冷啟動(dòng)階段，能量管理單元控制母線電壓，提供負(fù)載能量，直到燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢；2)燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢后，直流-直流變換器啟動(dòng)控制母線電壓，能量管理單元轉(zhuǎn)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(shí)方法如下整流器啟動(dòng)控制母線電壓，直流_直流變換器轉(zhuǎn)為電流控制模式，控制燃料電池輸出電流下降，從而實(shí)現(xiàn)了模式間無縫切換。
2.根據(jù)權(quán)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(jí)電容電壓控制環(huán)節(jié)(18)、第二超級(jí)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、 第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)和切換控制開關(guān)Tran_Sig (19)來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)Trarusig為1時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于燃料電池冷啟動(dòng)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)控制母線電壓，當(dāng)Tran_sig為2時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(15)控制輸出電流下降到零， 當(dāng)Trarusig為3時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于燃料電池獨(dú)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內(nèi)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(dāng)Tran_sig為0或4時(shí)，不平衡負(fù)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(16)、第二電流內(nèi)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(jù)權(quán)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(5) 和切換控制開關(guān)Tran_Sig (19)來實(shí)現(xiàn)；當(dāng)Tran_sig為0、1時(shí)，直流-直流變換器不工作，當(dāng)Tran_sig為2、3時(shí)，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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(5)控制母線電壓，當(dāng)Tran_sig為4 時(shí)，整流器啟動(dòng)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(nèi)環(huán)控制環(huán)節(jié)(6)、第四電流內(nèi)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(shí)，在燃料電池冷啟動(dòng)階段，能量管理單元控制母線電壓，提供負(fù)載能量，一旦燃料電池空載冷啟動(dòng)完畢，直流-直流變換器啟動(dòng)控制母線電壓，能量管理單元轉(zhuǎn)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(shí)，整流器啟動(dòng)控制母線電壓，直流-直流變換器轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)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(dòng)，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(fù)載供電連續(xù)性。
文檔編號(hào)H02J9/06GK102361345SQ20111032207
公開日2012年2月22日 申請(qǐng)日期2011年10月21日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:臺(tái)達(dá)環(huán)境與教育基金會(huì), 浙江大學(xué)