燃料電池并網控制策略研究

楊偉，林弘，趙虎

（南京理工大學動力工程學院，江蘇南京210094）

摘要：針對傳統的燃料電池并網控制辦法對改善系統動態性能的不足之處，建立PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）燃料電池發電系統中DC/DC升壓變換器和逆變器的模型。提出了燃料電池系統并網的控制策略，利用內外雙閉環控制辦法，使得逆變器輸出達到系統要求。建立了仿真系統的模型，并給出了燃料電池節點在網絡方程中的解決辦法。對系統三相短路故障、電壓跌落、負荷突變等情況進行了數值仿真，結果聲明所提出的燃料電池并網控制策略在三相短路故障、電壓跌落、負荷突變等情況下，能夠使得含燃料電池的系統穩定運行，并能動態跟蹤系統的功率輸出情況。

0引言

燃料發電機組是典型的電力電子變換器形式的分布式發電電源，在現有的眾多分布式發電技術中，燃料電池[1-3]具有能效高、環保、動態特性突出等特點，被稱為21世紀的分布式電源。隨著今朝電力緊缺現況的不斷加重，燃料電池并網運行正逐漸變為一個大的趨勢。

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）[4-5]由于選擇氫氣和液態甲醇等燃料，被認為是將來電動車、固定式電站的核心技術，近年來在筆記本電腦、手機等便攜式電源上商業化使用的趨勢增強，世界上各大汽車廠商均投入巨資加以研發，已成為國外電力行業重點開發的方向[6]。然而由于燃料電池輸出電壓波動大，穩定性差，在負載變化較大的場合使用燃料電池時，電能質量得不到保證，輸出的電能無法筆直使用，因此有必要設計適宜的變流器[7]；文獻[8]設計了推挽正激變換器，提出了雙CDD無源無損箝位電路，使系統具有很好的穩定及其動態影響，但是輸出的是直流電，不能筆直使用。文獻[9]提出的燃料電池逆變控制策略能夠使輸出的電流具有較小的穩態誤差，但是不具備對輸出功率的控制要求。

文獻[10]設計了紋波電流控制器，這種控制器能夠很好地抑制電流紋波，但控制器的設計非常復雜，不利于實際使用。本文充足考慮PEMFC的輸出功率和電能質量，設計燃料電池并網控制器，提出了一種新的并網控制策略，通過Matlab數值仿真，仿真結果聲明所提出的控制策略的正確性。

1燃料電池系統并網控制策略

研究燃料電池的目的是為了讓其發電輸出電能。燃料電池的輸出特性較軟，也就是說隨著負載不斷增加，電流和功率隨著增加；同時，燃料電池輸出不符合用戶電壓等級，所以非得對其輸出的電能進行變換以滿足不同負載的需求。

在燃料電池系統的發電啟動過程中，由于電池堆還沒有發電，系統的控制用電完全依靠輔助電源供給。輔助電源是對電能進行變換，以獲得燃料電池系統的所需各種電壓。Boost開關調整器很適合在燃料電池系統中作為初級輔助電源的變換器。為了并入電網，還非得采用逆變器將直流電轉換為交流電。

1.1DC/DC升壓變換器

Boost電路如圖1所示，由此可以寫出其微分方程。

圖3所示為本文所設計的采用內外雙閉環控制的燃料電池并網逆變系統，其內環為PI電流控制環，外環采用有功和無功功率反饋控制環。內環采用PI電流控制環是為了前饋解耦控制，由于d、q軸電流變化的交互影響，為了消去兩者之間的耦合項，采用這種辦法可以提高系統的控制性能。內環控制得出的誤差，由外環經過反饋調整內環的給定值，從而使動態誤差趨于零。外環給定的是系統輸出的有功量和無功量，其值由系統輸出的電壓電流量確定，這樣可以動態跟蹤系統輸出的功率，達到穩定調節的目的。

逆變器前端接的是Boost變換器，使得燃料電池包輸出電壓穩定并能夠達到輸出值；控制器采用PI策略，當燃料電池輸出因為負載變化、短路等情況而發生變化時，Boost變換器能穩定前級電壓并能抬升電壓值，具有較好的動態性能。

2 PEMFC燃料電池系統并網動態仿真

2.1燃料電池在網絡方程中節點解決

如圖4所示，兩相旋轉坐標系轉換為兩相靜止坐標系變換矩陣為：

2.3仿真系統程序設計

文中采用Matlab軟件編程實現對上述系統的動態仿真。依據詳盡的故障情況：三相短路，電壓跌落和負荷突變，分別編制子程序進行仿真。詳盡程序框圖如圖6所示。

1）三相接地短路的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池包，5s時在節點7處發生三相接地短路，5.08s切除線路5-7，仿真結果如圖7、圖8所示。

從圖7可知，開始接入燃料電池機組對系統影響并不大，燃料電池輸出電壓曲線開始時有一振蕩，但很快恢復平衡狀態輸出直流電壓，短路對其影響不大，其開始的峰值主要由變換器的瞬時狀態造成的；Boost變換器輸出電壓能夠達到500V符合控制要求，滿足DC/AC變換器的電壓要求，短路對其影響比較大，有分明跌落。短路后，燃料電池并網節點電壓波動比較小，輸出電壓范圍符合系統穩定運行的要求。從圖8可知，按照文中的控制方式逆變器在輸出有功功率的同時，還可以輸出一定的無功功率，并能夠在短路故障情況下，使得功率曲線迅速恢復穩定，具有很好的跟蹤動態功率的能力，保持輸出功率穩定；逆變器A相電壓曲線在短路期間暫降，輸出波形完好并能夠保持穩定。

2）電壓跌落的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池包，5s時在節點10處電壓有50%的跌落，5.5s恢復正常電壓，仿真結果如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，在節點10處電壓發生50%的跌落時，對發電機的功角影響不是很大，在電壓恢復后功角發生了一定的下降，但很快恢復穩定狀態；對燃料電池堆輸出電壓影響不大，對Boost變換器的輸出電壓影響較大，輸出電壓曲線下跌。從圖10可以看出，對功率的影響比較大，有功和無功功率都在電壓跌落時出現跌落，但恢復到穩定狀態時間很短，在不到1s的時間內恢復穩態值。

3）負荷突變的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池包，設定接在節點5上的負載為輕載（0.4pu），系統運行在5s時負載突變為接近滿載（0.95pu），然后在5.5s時恢復正常負載（0.6pu）。相應的仿真結果如圖11、圖12所示。

從圖11可知，在0~5s的時間范圍內，節點10上的負荷為輕載，在5s時負載突變為重載，一般發電機的功角曲線和燃料電池并網節點發生了相應的跳動，功角曲線在恢復正常負載的2s時間內恢復穩定；而電壓曲線由于負荷重載吸收無功功率，出現電壓跌落現象，恢復正常負荷后穩定在一個新的電壓值；對燃料電池堆輸出電壓影響不是很大，但對Boost變換器的輸出電壓影響較大，輸出電壓曲線下跌。

從圖12可知，負荷的突變對逆變器的輸出功率影響不大，功率曲線的波動很小，恢復到穩態的時間很短，動態應和能力強；從逆變器輸出電壓A相電壓曲線看，在負荷輕載時，電壓穩定運行在一個狀態，當負荷突變后電壓出現跌落，然后負荷恢復正常時，電壓曲線快速恢復在一個新的穩定狀態。

根據以上仿真結果，可以看出所設計的燃料電池并網控制策略在三種故障情況下，能夠使得燃料電池系統穩定運行，并能動態跟蹤系統的功率輸出情況，保證了有功功率和無功功率的穩定輸出，保證了輸出電壓的穩定，具有較好的動態應和能力，驗證了燃料電池并網系統設計的正確性。

3結論

本文提出了一種燃料電池系統的并網控制策略，利用內外雙閉環控制辦法，能夠使逆變器輸出達到要求，通過Matlab數值仿真結果聲明：在系統發生三相短路、電壓跌落、負荷突變等情況下，燃料電池能夠穩定運行，并能保證系統的有功、無功和電壓的穩定，具有較好的動態性能。

參考文獻

[1]李峰，李興源，郝巍.不間斷電力變電站中分布式電源接入系統研究[J].繼電器，2007，35(10): 13-22．

[2]錢科軍，袁越.分布式發電技術及其對電力系統的影響[J].繼電器，2007，35(13): 25-29.

[3]Cook B.Introduction to fuel cells and hydrogen technology[J].Engineering Science and Education Journal，2002，11(6): 205-216.

[4]李奇，陳維榮，劉述奎，等.基于改進粒子群算法的H_∞次優控制在 PEMFC 混合發電系統中的使用[J].電力系統保護與控制，2010，38(21): 126-131.

[5]Sadli I，Thounthong P，Martin J P，et al.Behaviour of a

PEMFC supplying a low voltage static converter[J].Power Sources，2006，156(1): 119-125.

[6]李國超，胡麗蓉，萬桂華.燃料電池分布式發電技術及其戰略意義[J].可再生能源，2009，27(1): 112-114.

[7]冷貴峰，吳政球，曾興嘉，等.燃料電池并網發電控制系統的研究[J].電網技術，2009，33(14): 89-93.

[8]王贊，肖嵐，嚴仰光.基于燃料電池的推挽正激變換器的控制研究[J].中國電機工程學報，2007，27(33):82-86.

[9]李奇，湛耀添，區永江，等.質子交換膜燃料電池的電應和研究[J].電池，2006，36(5): 359-361.

[10]王勇，謝小高.燃料電池電力變換器的低頻紋波電流抑制策略[J].電力系統自動化，2008，32(23)：86-89.

[11]王錫凡，方萬良，杜正春.現代電力系統分解[M].北京：科學出版社，2003.

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除