燃料電池超級電容器混合發電系統能量管理策略研究

江斌

天津清研微能科技有限公司 天津 300304

燃料電池FC具有諸多優點，如噪聲低、能量轉換效率高及清潔等，近年，國內外許多學者對此展開了全面且深入的研究，并且將其成功應用在多個領域當中，如電力機車、混合動力汽車等。此外，伴隨分布式發電DG技術的持續推新與完善，衍生出許多新型系統，比如互補發電系統（風能/太陽能構成）、熱電聯產CHP系統（以FC為主導）等。針對FC而言，其發電原理即為使燃料（一般為氫氣）與氧化劑（通常用氧氣）之間發生持續性的電化學反應，以此使燃料當中的化學能向電能轉化。因相FC發電系統輸送的燃料并非都是氫氣，通常是天然氣（多為甲烷），這便是燃料重整，但需要指出的是，因燃料重整有著非常緩慢的化學過程，并且用于對氣體流量進行控制的機械系統存在滯后性，這便造成進入到DC堆當中的氫氣量難以即刻跟隨既定的參考值，造成供需失衡。為了能夠對FC動態響應方面所存在的不足給予彌補，需設置一個輔助儲能環節，形成復合發電系統。本文以固體氧化物燃料電池SOFC發電系統為例，探討了一套能夠用于復合電源（FC與SC）的能量管理策略，現探討如下。

1 復合發電系統分析

在復合發電系統架構當中，SOFC經單向DC/DC變換器與直流母線相連，而SC則經雙向 DC/DC變換器與直流母線相連，然后借助逆變器，把直流電向交流電轉化，最后提供給用戶使用。需要指出的是，針對此種拓撲結構，其主要優點就是DC/DC變換器能實現電源電壓的提升，以此來更好的匹配后續電壓，并且還能SC工作在更寬的電壓范圍內，因而有助于容量利用率的提升；此外，通過將電流反饋控制輸入，限制電源的輸出電流，使其始終維持在安全范圍內[1]。

本文選用的是SOFC動態模型，而且還采用了比較先進的燃料控制環節；需強調的是，因向SOFC發電站輸送的燃料通常是天然氣（富氫），因此，需先進行燃料重整，向氫氣進行轉化，這樣才能更好地被SOFC堆棧所使用，但需說明的是，因該化學過程比較緩慢，通常會用一個時間常數數τf=5s所對應的慣性環節來進行表示。為了能使燃料響應速度加快，并且保證在穩態時所對應的燃料利用率始終是額定值αN，本文將一個閉環燃料閥控制器引入其中。而針對采樣SOFC輸出電流iFC來講，主要用作諸如SOFC的氫氣流量參考值的計算；而對于PI環節來分析，需依據參考值與顯示值間所存在的誤差，給出將燃料處理單元注入后所得到的天然氣流量。

針對復合電源能量管理來分析，其核心在于控制兩個DC/DC變換器。依據基爾霍夫電流定律，于直流母線處存在：

如果電源側的輸入維持不變，所存在的負載波動會造成直流母線在具體的電容能量上發生變化。本文選擇用SC（有著較快的反應速度）對上述能量變化進行響應，實現負載跟蹤。而對于有著較慢反應速度的SOFC，則按安全范圍內盡量跟進負載變化，以此使系統總儲能升至穩定值。

2 雙向DC/DC變換器的具體控制策略

2.1 控制直流母線能量

如果負載出現突變，而SOFC在具體輸出上難以即刻跟進，此時，為了保證能夠始終維持供需平衡，在SC上，需要形成適量的功率交換。如果負載變化有著比較大的幅度，那么SC在較短時間內會維持比較大電流的輸出或輸入，從而對SC的具體使用壽命造成嚴重影響。從上述公式（1）證實，如果把不平衡功率中的一部分交由直流母線電容進行承擔，那么能夠實現從SC發出功率的減小。所以，本文用動態直流母線電容能量軌跡規劃將傳統的靜態方法進行替代，并且通過對SC的輸出電流進行實時采樣，實現直流母線電容衡量的動態改變，以此將SC暫態電流的工作狀態給予緩解[2]。

還需要強調的是，如果SC電流大于特定閥值，此時，軌跡規劃除了能夠對直流母線電容的能量進行調節，以此對不平衡功率進行分擔之外，還能夠對能量調節的上限與下限進行約束，因而可以為后續電路能的正常工作提供切實保障。另外，母線電容能量變化會造成其電壓水平的改變，也在允許范圍內促進后續恒電阻、恒電流負載所汲取功率的降低或提高。

2.2 SC電流控制

變換器所用方式為互補PWM控制方式，也就是上管與下管處在一種交錯導通的狀態，通過對占空比信號大小進行適當的調節，達到功率向不同方向流動的目的。需要指出的是，如果SC的工作電壓與電壓限值相接近，其電流上限線性以及下限線性均會下降，直到為0.SC直流上限ISCmax與下限ISCmin的表達式分別為：

其中，針對電壓上限而言，實際就是其額定值USCN，如果大于此值，那么會對設備的安全運行以及使用壽命造成影響；下限就是其額定值的50%，如果小于此值，那么會對SC的輸出功率造成限制。針對電流調節器Gir（s）來講，其采取的是常規的PI校正方式，通過對誤差信號進行采樣，使iSC可以準確且快速的跟進其參考值[3]。

3 結束語

綜上，混合發電系統主要由SC與FC這兩部分構成，基于此提出了具體的能量管理策略，相對系統的拓撲結構進行了介紹，然后基于微分平滑理論，探討了以SC輸出電流為基礎的直流母線電容能量動態軌跡規劃思路，且將其在雙向DC/DC變換器控制中予以應用，將SC暫態大電流情況（由負載大幅度突變所引起）給予緩解。從中可知，將混合發電系統的能量管理工作做好，意義重大。