燃料电池不间断电源系统的功率变换构架及控制

The Uninterruptible Power Supply (UPS) is widely applied in IT, communication, manufacturing, transportation, aerospace, national defense, etc. The soft spot of UPS is its battery which leads to high maintenance costs and low reliability. Therefore, fuel cells are utilized to replace batteries and provide the solution for UPS systems with high efficiency, long lifespan, high reliability, long backup time and environmental friendliness. Based on the characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) and demands of UPS, this project focuses on the power conversion architecture and control method which are suitable for Fuel Cell UPS (FC-UPS) system. The high-efficiency power conversion from hydrogen to AC output is obtained and economical efficiency of FC-UPS is also improved. Due to inherent characteristics of PEMFC, power management of FC-UPS is investigated to match FC with the load. In order to further enhance lifespan and reliablity of FC-UPS system, the idea that short-lived electrolytic capacitors are eliminated is proposed and investigated. Then, the seamless tranfer control strategy among different operating modes is proposed to address the problem of fuel cell cold-start and ensure the uninterruptible load voltage and fuel cell safety. Finally, a FC-UPS testing platform will be built to verify the proposed theories and control methods. The results of FC-UPS system are expected to provide theoretical support for the engineering design.

在IT、通讯、制造业、交通、航空航天、国防等领域中广泛应用的不间断电源（UPS）,其软肋是蓄电池，维护成本高，可靠性低。燃料电池取代蓄电池为UPS系统提供了高效率、长寿命、高可靠性、长备用和环保的解决方案。本项目基于质子交换膜燃料电池特性和UPS需求，探索适合质子交换膜燃料电池UPS系统的电力电子功率变换构架和控制方法，实现从氢能到交流电能高效率的能量转换，提升系统的经济性。针对质子交换膜燃料电池固有特性，研究燃料电池UPS系统能量管理方案，解决燃料电池特性与负载对电能质量需求的匹配问题。探索无电解电容母线支撑技术，以进一步提升系统的寿命和可靠性。解决燃料电池冷启动的难题，实现供电模式之间无缝切换，确保负载供电质量和燃料电池的安全。研制燃料电池UPS试验平台，验证所提出的理论和方法。预期成果将为燃料电池UPS系统的工程化实践提供理论指导。

燃料电池不间断电源系统可广泛应用于数据中心、先进制造、核电、国防等重大领域。本项目围绕燃料电池不间断电源系统的科学问题和关键技术开展研究。本项目首先建立了质子交换膜燃料电池的动态模型，为燃料电池不间断电源系统的研究提供了的基础。在深入分析质子交换膜燃料电池特性和不间断电源系统需求的基础上，提出了燃料电池不间断电源系统的电力电子功率变换构架的推导方法。以变换效率、失效率和成本为测度，演绎出最优的燃料电池不间断电源系统的电力电子功率变换构架。为弥补燃料电池动态性能不足，提出了能量管理方案，既满足负载快速变化需求，同时减小对燃料电池的冲击。为突破电解电容对FC UPS系统的可靠性的瓶颈，在分析不平衡负载情况下直流母线的低频电流纹波分布的基础上，提出了基于能量管理单元的纹波抑制控制策略，实现了直流母线稳定控制。该方法防止了低频电流纹波进入燃料电池，改善了燃料电池的工作条件。为了延长燃料电池的寿命，在电网正常时燃料电池工作采用冷备用模式。然而燃料电池需要秒级时间以完成从冷备用模式的启动，如果不采取有效措施就会造成负荷供电的中断，本项目提出了燃料电池不间断电源系统无缝切换策略，保证了负载的不间断供电。本项目研制了10kW燃料电池UPS系统实验平台，并在平台上验证了本项目提出理论和方法。大量试验表明所提出的燃料电池不间断电源系统方案在功率变换效率、电能质量、备用时间、功率密度、环保性、可靠性等性能方面具有独特优势。本项目揭示了燃料电池与负荷相互作用的规律，提出了燃料电池与负荷特性相互配合的方法。获得了燃料电池不间断电源系统的电力电子电路、控制和系统的设计方法。