燃料电池超级电容器混合发电系统能量管理策略研究

江斌

天津清研微能科技有限公司 天津 300304

燃料电池FC具有诸多优点，如噪声低、能量转换效率高及清洁等，近年，国内外许多学者对此展开了全面且深入的研究，并且将其成功应用在多个领域当中，如电力机车、混合动力汽车等。此外，伴随分布式发电DG技术的持续推新与完善，衍生出许多新型系统，比如互补发电系统（风能/太阳能构成）、热电联产CHP系统（以FC为主导）等。针对FC而言，其发电原理即为使燃料（一般为氢气）与氧化剂（通常用氧气）之间发生持续性的电化学反应，以此使燃料当中的化学能向电能转化。因相FC发电系统输送的燃料并非都是氢气，通常是天然气（多为甲烷），这便是燃料重整，但需要指出的是，因燃料重整有着非常缓慢的化学过程，并且用于对气体流量进行控制的机械系统存在滞后性，这便造成进入到DC堆当中的氢气量难以即刻跟随既定的参考值，造成供需失衡。为了能够对FC动态响应方面所存在的不足给予弥补，需设置一个辅助储能环节，形成复合发电系统。本文以固体氧化物燃料电池SOFC发电系统为例，探讨了一套能够用于复合电源（FC与SC）的能量管理策略，现探讨如下。

1 复合发电系统分析

在复合发电系统架构当中，SOFC经单向DC/DC变换器与直流母线相连，而SC则经双向 DC/DC变换器与直流母线相连，然后借助逆变器，把直流电向交流电转化，最后提供给用户使用。需要指出的是，针对此种拓扑结构，其主要优点就是DC/DC变换器能实现电源电压的提升，以此来更好的匹配后续电压，并且还能SC工作在更宽的电压范围内，因而有助于容量利用率的提升；此外，通过将电流反馈控制输入，限制电源的输出电流，使其始终维持在安全范围内[1]。

本文选用的是SOFC动态模型，而且还采用了比较先进的燃料控制环节；需强调的是，因向SOFC发电站输送的燃料通常是天然气（富氢），因此，需先进行燃料重整，向氢气进行转化，这样才能更好地被SOFC堆栈所使用，但需说明的是，因该化学过程比较缓慢，通常会用一个时间常数数τf=5s所对应的惯性环节来进行表示。为了能使燃料响应速度加快，并且保证在稳态时所对应的燃料利用率始终是额定值αN，本文将一个闭环燃料阀控制器引入其中。而针对采样SOFC输出电流iFC来讲，主要用作诸如SOFC的氢气流量参考值的计算；而对于PI环节来分析，需依据参考值与显示值间所存在的误差，给出将燃料处理单元注入后所得到的天然气流量。

针对复合电源能量管理来分析，其核心在于控制两个DC/DC变换器。依据基尔霍夫电流定律，于直流母线处存在：

如果电源侧的输入维持不变，所存在的负载波动会造成直流母线在具体的电容能量上发生变化。本文选择用SC（有着较快的反应速度）对上述能量变化进行响应，实现负载跟踪。而对于有着较慢反应速度的SOFC，则按安全范围内尽量跟进负载变化，以此使系统总储能升至稳定值。

2 双向DC/DC变换器的具体控制策略

2.1 控制直流母线能量

如果负载出现突变，而SOFC在具体输出上难以即刻跟进，此时，为了保证能够始终维持供需平衡，在SC上，需要形成适量的功率交换。如果负载变化有着比较大的幅度，那么SC在较短时间内会维持比较大电流的输出或输入，从而对SC的具体使用寿命造成严重影响。从上述公式（1）证实，如果把不平衡功率中的一部分交由直流母线电容进行承担，那么能够实现从SC发出功率的减小。所以，本文用动态直流母线电容能量轨迹规划将传统的静态方法进行替代，并且通过对SC的输出电流进行实时采样，实现直流母线电容衡量的动态改变，以此将SC暂态电流的工作状态给予缓解[2]。

还需要强调的是，如果SC电流大于特定阀值，此时，轨迹规划除了能够对直流母线电容的能量进行调节，以此对不平衡功率进行分担之外，还能够对能量调节的上限与下限进行约束，因而可以为后续电路能的正常工作提供切实保障。另外，母线电容能量变化会造成其电压水平的改变，也在允许范围内促进后续恒电阻、恒电流负载所汲取功率的降低或提高。

2.2 SC电流控制

变换器所用方式为互补PWM控制方式，也就是上管与下管处在一种交错导通的状态，通过对占空比信号大小进行适当的调节，达到功率向不同方向流动的目的。需要指出的是，如果SC的工作电压与电压限值相接近，其电流上限线性以及下限线性均会下降，直到为0.SC直流上限ISCmax与下限ISCmin的表达式分别为：

其中，针对电压上限而言，实际就是其额定值USCN，如果大于此值，那么会对设备的安全运行以及使用寿命造成影响；下限就是其额定值的50%，如果小于此值，那么会对SC的输出功率造成限制。针对电流调节器Gir（s）来讲，其采取的是常规的PI校正方式，通过对误差信号进行采样，使iSC可以准确且快速的跟进其参考值[3]。

3 结束语

综上，混合发电系统主要由SC与FC这两部分构成，基于此提出了具体的能量管理策略，相对系统的拓扑结构进行了介绍，然后基于微分平滑理论，探讨了以SC输出电流为基础的直流母线电容能量动态轨迹规划思路，且将其在双向DC/DC变换器控制中予以应用，将SC暂态大电流情况（由负载大幅度突变所引起）给予缓解。从中可知，将混合发电系统的能量管理工作做好，意义重大。