Performance comparison of input current ripple reduction methods in UPS applications with hybrid PEM fuel cell/supercapacitor power sources

An uninterruptible power supply (UPS) system with different input current ripple reduction methods is proposed, and a comparison research has been conducted about these methods. The proposed UPS system consists of a 63-cell 300 W proton exchange membrane (PEM) fuel cell stack, two 16-cell supercapacitors (SCs) in series, a high-efficiency push–pull DC/DC converter and a half-bridge DC/AC inverter. Besides that the traditional push–pull DC/DC converter has inherent advantages of low input-current stress and high voltage conversion ratio, the SCs, LC filter, and an active clamp circuit are employed to reduce the input current ripples in the UPS system. First, the input current ripple generation and performance without an external component are analyzed and modeled in the PEM fuel cell. Then the input current ripple reduction methods mentioned above are proposed and operated in the designed UPS system. Finally, the experimental results show that the input current ripple can be further reduced by using different current ripple reduction approaches, and the active compensation method has better performance than the passive compensation method. The input current ripple is less than 5% of the rated input current.     

质子交换膜燃料电池混合动力系统测控平台开发

介绍了5 kW高低温质子交换膜燃料电池混合动力系统测控平台的开发。介绍了平台测试系统模式下检测系统工作参数,对燃料电池混合动力系统的性能、建模和优化设计等问题进行研究;在模拟真实系统模式下研究燃料电池混合独立发电系统的动态建模、控制和优化。阐述了配合多能源系统研究动态负载下的进料控制、功率输出稳定性和能量效率优化等问题。介绍了测控平台各子系统的设计和设备选型。     

便携式质子交换膜燃料电池系统集成研究

设计、开发并研制出了小型便携式质子交换膜燃料电池(PEMFC)电源系统,该系统采用常压空气为氧化剂,可逆金属氢化物储氢器来存储、供应氢气,并采用单片机作为核心控制单元的高效、可靠的电池管理系统来实现各子单元的协调控制。对研制出的200W便携式质子交换膜燃料电池系统演示样机进行了一系列性能测试,包括氢气压力、尾气排放、风扇高度、氢气增湿以及系统热管理对便携式PEMFC系统性能的影响,发现了影响便携式PEMFC系统性能的关键问题,并提出了解决方案。     

Online energy management strategy of a hybrid fuel cell/battery/ultracapacitor vehicular power system

A hybrid power system based on a fuel cell (FC) and an energy storage system appears to be very promising for satisfying the high energy and high power requirements of automotive applications in which the power demand is impulsive rather than constant. This paper deals with the use of a hybrid energy storage system with the battery (BAT)/ultracapacitor (UC) as ancillary power source in FC electric vehicles. The energy management strategy (EMS) is one of the most important issues for the efficiency and performance of such systems. The designed EMS uses a splitting method, allowing a natural frequency decomposition of the power demands. It takes into account the slow dynamics of FC and the state of charge of the UC and BAT. A simulation is conducted using MATLAB/SIMULINK software in order to verify the effectiveness of the proposed control strategy. It confirms the performance of the control method and also demonstrates the robustness and stability of the control strategy with good tracking response (transient performance), low overshoot, zero steady‐state error, and control flexibility during a power demand cycle. © 2014 Institute of Electrical Engineers of Japan. Published by John Wiley & Sons, Inc.     

有轨电车的电池/超级电容器能量管理

为优化能量管理策略,建立有轨电车模型,包括整车动力学模型、电池电路模型、电池寿命模型和超级电容器模型.基于庞特里亚金极大化原理(PMP),以列车运行成本(包括列车运行能耗成本和电池寿命成本)最小化为目标,同时考虑相关约束条件,对能量管理策略进行优化.基于列车实际运行工况,通过仿真进行对比,得出:与传统的阈值法能量管理策...     

PEMFC水管理的动态分析与仿真

从阳极水传榆、阴极水传输及质子交换膜中的水分布等方面进行分析,建立了燃料电池堆的水平衡和传榆方程.采用MATLAB对水管理动态过程进行仿真,通过仿真结果,对影响燃料电池堆水管理的参数(阴极回流管道常数、进电堆空气流量、喷射水的流量和电流)进行了分析.仿真结果表明:优化的回流管腔的结构可以使电堆保持良好的湿度状态;进电堆空气流量、喷射水的流量和电流等操作条件,需要在电堆工作时选择或控制.     

PEMFC发动机热管理与冷启动研究进展

综述近年来质子交换膜燃料电池(PEMFC)发动机的热管理和冷启动研究进展。包括空气冷却、相变冷却和液体冷却等3种冷却形式;比例-积分-微分控制(PID)和模糊控制等热管理策略;内部加热、外部加热和停机吹扫等3种冷启动措施。阐述各方法的工作机理并进行比较分析,展望热管理和冷启动的发展趋势。     

燃料电池/锂电池混合动力控制系统设计

针对燃料电池动态响应上的不足,在原有峰值电流模式PWM开关电源系统基础上,设计了一套新型的质子交换膜燃料电池/锂电池混合动力控制系统,并在Simulink仿真平台上,建立了控制系统的仿真模型.为了改善燃料电池输出电流纹波和延长燃料电池使用寿命,采用两相交错并联BUCK变换器结构,详细分析了控制系统的工作原理和控制方法.仿真验证了所设计的混合动力能量管理控制系统在脉冲功率需求下控制策略的有效性.     

PEMFC空气膜增湿系统的性能

建立了质子交换膜燃料电池(PEMFC)和膜增湿器一维性能分析模型,模拟了空气流量、压力和温度等条件对PEM FC及膜增湿器性能的影响,模拟结果与实验数据吻合良好.根据模型对PEMFC膜增湿系统的非稳态性能进行了预测.空气进气温度的动态响应特性对膜内水含量梯度的影响显著,对膜内水的扩散系数几乎无影响.     

质子交换膜燃料电池机理与ANN混合模型的建模与仿真分析

提出了一种新型的混合燃料电池模型,描述了该混合模型包括机理部分和黑箱部分(即神经网络部分).机理部分用来体现质子交换膜燃料电池性能,神经网络部分用来表现所不知或者不能用机理模型来表现出来的质子交换膜燃料电池性能,认为可以再现质子交换膜燃料电池的各种特性.仿真结果表明,该混合质子交换膜燃料电池模型具有比单独的机理模型或神经网络模型更高的精度.     

单电源燃料电池电动车的设计与控制研究

采用质子交换膜燃料电池(PEM FC)与人力相结合的动力系统,设计出一种仅由PEM FC供电的电动车。该系统针对PEM FC在电动车启动、爬坡时输出功率不能很好满足车辆要求的特性,采用人力补偿及合理的控制策略使PEM FC在高效率下运行,克服PEM FC作为独立电源供电的不足。理论分析和实物运行结果表明,该系统具有较高的能量效率和良好的运行稳定性。     

适用于PEMFC系统状态估计的鲁棒非线性观测器

针对质子交换膜燃料电池PEMFC(proton exchange membrane fuel cell)系统的强非线性及强耦合特性,提出一种适用于PEMFC系统过氧比OER(oxygen excess ratio)估计的鲁棒非线性系统观测器,解决PEMFC系统中难于利用传感器直接测量的状态变量(如供应管道中空气质量、阴极侧氧气以及氮气质量等)准确估计的问题。通过矩阵变换,利用微分中值定理将动态误差系统转化为线性变参数系统。基于李雅普诺夫稳定性理论和凸性原理,将观测器设计问题转化为线性矩阵不等式LMI(linear matrix inequality)可行性问题。仿真结果表明所设计的观测器具有良好的收敛特性。     

PEMFC用气体扩散层中微孔层的干法制备

比较了用干法和湿法制备的微孔层(MPL)对质子交换膜燃料电池(PEMFC)输出性能的影响.结果表明干法MPL具有较湿法MPL更优的"水管理"功能.对基于干法MPL和湿法MPL的气体扩散层(GDL)分别进行了表征,包括扫描电子显微镜法(SEM)、透气率以及表面接触角.表征结果支持上述实验结论.干法MPL中PTFE质量百分含量的最优值为30%.     

家用混合发电系统的能量优化控制策略

家庭负载频繁出现瞬间的峰值功率需求,由燃料电池/蓄电池组成的混合发电系统是最清洁和高效的发电方式之一.燃料电池仅满足基本负载,由蓄电池放电以满足瞬间的峰值功率需求.研究了一个60 kW家用混合发电系统,该系统由质子交换膜燃料电池(PEMFC)和阀控铅酸蓄电池组成,设计为10个家庭同时供电.在保证系统可靠性和持久性的同时,为了提高整个混合发电系统的工作效率和燃料经济性,在系统仿真和分析的基础上详细描述了一种基于规则的能量优化控制策略.仿真实验结果表明,与燃料电池单独供电相比,60 kW混合发电系统通过优化2种能源之间的功率分配,能够在响应负载的同时提高整个发电系统的工作效率和燃料经济性.     

PEMFC水含量的在线表征及暂态过程分析

采用电流线性扫描的方法,研究了暂态条件下PEMFC内氧还原反应(ORR)生成水量对电池性能的影响。利用微探针方法探讨了不同操作条件下燃料电池中膜内水含量的变化情况。结合电化学交流阻抗技术以及相关经验公式,分析了暂态条件下燃料电池MEA内水的扩散特性。结果表明,暂态过程中电流与电压之间的响应在秒级以内,而燃料电池的高频阻抗(HFR)变化相对于电流存在着明显的滞后现象(对于Nafion212在15～20s)。此外,还就燃料电池的吹扫操作进行了探讨研究,并对实验结果进行了理论分析和解释。     

离子交换膜燃料电池技术的发展和应用前景

介绍了世界上离子(质子)交换膜燃料电池的最新进展.目前,已商品化的单体电池有效工作面积780cm~2,铂催化剂载量1～4mg/cm~2,工作温度80℃,采用纯氢和纯氧为燃料和氧化剂,工作压力为1.03×10~5～4.48×10~5Pa,工作电流密度为500mA/cm~2时,电池工作电压可达0.7V,工作寿命可达10000～20000h.这种电池在潜艇、飞船及电动汽车等领域有良好的应用前景.     

燃料电池电力变换器的低频纹波电流抑制策略

燃料电池电力变换器通常包括直 — 直及直 — 交2级变换器,而直 — 交变换器通常会产生2倍于输出频率的纹波电流并反向传播到燃料电池输出端。低频纹波电流会造成燃料电池系统的燃料浪费,减小电力变换器的输出能力,更重要的是减少燃料电池堆寿命,所以必须得到有效抑制。文中论述了燃料电池电力变换器纹波电流产生的机理及传播途径。在此基础上提出了一种能有效抑制电流纹波的新型控制器,并应用在一个1.2 kW的质子交换膜燃料电池电力变换器样机上。实验证明该控制器能有效抑制电流纹波产生,并实现了电力变换器的指令电流控制。     

燃料电池输出功率的预测控制

在所有类型的燃料电池中,质子交换膜燃料电池因具有质量轻、效率高、电流密度大、工作温度低、启动速度快以及使用无毒性的固态电解质膜等优点近年来发展最快。针对这种燃料电池的输出功率,首先提出了一阶滞后数学模型,而后给出一种预测控制算法,并讨论了控制器参数的设计,该算法改善了燃料电池的输出特性。仿真结果验证了所提算法的有效性。     

氢能离我们还有多远--我国燃料电池现状、差距及对策

叙述了我国质子交换膜燃料电池(PEMFC)、熔融碳酸盐燃料电池(MCFC)和固体氧化物燃料电池(SOFC)的研究与开发现状,特别指出在性能指标、稳定性、燃料电池系统水平和燃料电池示范深度和广度等方面我国燃料电池和国外的差距。认为根据我国的具体情况,燃料电池公共汽车和大客车将会比燃料电池轿车先得到商业化应用,因此,应加大对其投资力度。提出发展我国燃料电池的对策,建议:(1)根据国情确定研制FC的方向,我国继续以PEMFC和SOFC为重点研究开发对象,其中以PEMFC为重点,中、低温SOFC也要抓紧;(2)加强应用技术基础研究,争取在燃料电池方面有原始创新;(3)加速燃料电池实用化示范工作;(4)走引进、开发并举的道路。     

Real-time supply-demand schedule update and operation for generators and battery energy storage system based on forecasted and actual photovoltaic power outputs

The photovoltaic (PV) power output might be frequently curtailed to maintain electricity supply-demand balance in future power systems. In our previous study, we proposed a new method for updating the battery energy storage system (BESS) charge/discharge and the generator unit commitment (UC) schedules based on the forecasted and actual PV power outputs. The forecast dataset was updated every 3 h (eight times a day). Although the simulation results showed that the proposed method could reduce the supply-demand imbalances, it was not clear whether the forecasted or actual values made contributions. Therefore, in this study, we propose and evaluate a real-time scheduling and operation method using the forecasted and actual PV power outputs assuming that the forecasted dataset is updated only once a day. Numerical simulations of supply-demand operations are conducted on the power system model of the Kanto area of Japan for one year. The results show that the previous study method has a slight advantage over proposed method in terms of curtailed PV energy and operational cost of thermal generators reduction, but the difference is very small, indicating that the contribution of the actual PV power outputs is greater than that of the forecasted PV power outputs.