王勇，游大寧，馬強(qiáng)，盧恒，王明松

（1.山東省電力公司，山東濟(jì)南250001；2.北京科東電力控制系統(tǒng)有限責(zé)任公司，北京100192）

1 引言

面對(duì)能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益加劇，開(kāi)發(fā)利用可再生能源已成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。近些年，以氫氧為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（fuel cells，F(xiàn)C）［1］具有工作噪聲低、能量轉(zhuǎn)化效率高、生成物清潔無(wú)污染、可實(shí)現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)、模塊化安裝等優(yōu)點(diǎn)，是一種應(yīng)用前景非常樂(lè)觀的可再生能源［2］。

分布式并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)可以充分利用FC 模塊化的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)重要或偏遠(yuǎn)負(fù)荷的持續(xù)可靠供電。然而，由于燃料電池輸出電壓較低、穩(wěn)定性差，在負(fù)載變化較大的場(chǎng)合無(wú)法保證電能質(zhì)量［3］。此外，并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換裝置的非理想特性和電網(wǎng)電壓諧波會(huì)進(jìn)一步降低電能質(zhì)量，增大電流總諧波畸變（THD）。因此，設(shè)計(jì)合理的燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)優(yōu)化控制策略，對(duì)于燃料電池的大規(guī)模應(yīng)用至關(guān)重要。

本文首先設(shè)計(jì)一種便于FC模塊化應(yīng)用的兩級(jí)式單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，然后提出一種基于矢量比例積分控制（VPI）與奇次諧波重復(fù)控制（OHRC）相結(jié)合的電流控制策略：利用基波VPI實(shí)現(xiàn)工頻正弦交流電流的穩(wěn)定無(wú)差跟蹤；利用OHRC 補(bǔ)償系統(tǒng)中存在的奇次諧波，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，并減小計(jì)算量。搭建了5 kW 兩級(jí)式單相FC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了提出方法的有效性。

2 單相并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

本文設(shè)計(jì)如圖1 所示的兩級(jí)式單相小功率FC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)由燃料電池電堆、BOOST 升壓斬波電路、并網(wǎng)逆變器和L 濾波器組成。

圖1 兩級(jí)式單相光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Two levels of single-phase grid-connected PV systems

燃料電池電堆產(chǎn)生穩(wěn)定的直流電能（電壓較低），經(jīng)BOOST 斬波電路升壓后產(chǎn)生具有一定幅值的直流電能，該直流電能經(jīng)單相全橋變換器轉(zhuǎn)換為爭(zhēng)先交流電能，并經(jīng)L 濾波器濾波后饋入電網(wǎng)。

忽略功率器件和死區(qū)時(shí)間等非線性因素的影響，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率較大時(shí)，逆變器輸出電流及直流母線電壓表達(dá)式分別為

式中：u，i 分別為逆變器輸出電壓和電流；R 為L(zhǎng)濾波器等效電阻；e為電網(wǎng)電壓；is為BOOST輸出的直流電流；S（t）為開(kāi)關(guān)函數(shù)。

3 VPI與OHRC控制器

為實(shí)現(xiàn)FC 并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的跟蹤，并減小由于電網(wǎng)電壓諧波和功率器件不平衡、老化、調(diào)制死區(qū)等對(duì)輸出電流波形質(zhì)量的影響，需要尋求一種新型的能夠跟蹤交流分量并抑制電流諧波的控制策略。

3.1 VPI控制器

VPI控制器是一種為跟蹤或消除以ω1=2πf1逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的基波旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下kω1（k=1，2，…，n）次諧波的正負(fù)序分量而提出的一種新型控制器，其表達(dá)式如下［4］：

式中：Kkp為k次諧波比例系數(shù)；Kki為k次諧波積分系數(shù)。

圖2 為VPI 與諧振控制器的波特圖，由該圖可以發(fā)現(xiàn)：在系數(shù)相同的情況下，VPI在特定頻率處會(huì)產(chǎn)生較高的增益，因此可以用于跟蹤基頻電流或抑制特定次諧波；與諧振控制器相比，VPI在特定頻率處所產(chǎn)生的相位滯后會(huì)逐漸趨于零，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此，可以選用頻率特性更好的VPI 控制器實(shí)現(xiàn)單相FC 并網(wǎng)系統(tǒng)輸出電流的快速無(wú)差跟蹤。

圖2 VPI與諧振控制器波特圖Fig.2 VPI and resonant controller bode plots

3.2 OHRC控制器

基于內(nèi)模原理的重復(fù)控制器（RC）是一種高效的諧波抑制工具，其即插即用、便于數(shù)字實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)使其在新能源并網(wǎng)發(fā)電、有源電力濾波等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用?；诘湫蚏C閉環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基于典型RC閉環(huán)系統(tǒng)Fig.3 A typical RC closed-loop system

假設(shè)當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)不含RC時(shí)，傳遞函數(shù)為

式中：P(z)為被控對(duì)象脈沖傳遞函數(shù)；Gc(z)為使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的控制器。

圖3中，F(xiàn)(z)=z-N為時(shí)延函數(shù)，H(z)為低通濾波器，C(z)=kr[G(z)]-1為補(bǔ)償器，kr為補(bǔ)償系數(shù)，ε=±1用于決定RC的反饋形式。圖3中點(diǎn)劃線內(nèi)為通用內(nèi)模，其表達(dá)式為［5］

同時(shí)，定義

為系統(tǒng)的敏感函數(shù)，用于計(jì)算系統(tǒng)的極點(diǎn)。

經(jīng)典RC控制器存在2個(gè)主要缺點(diǎn)：

1）計(jì)算量大；

2）需要被控量的精確頻率信息。

因此，當(dāng)DSP 性能受限或被控量頻率波動(dòng)時(shí)，RC的控制性能變差。

由于電力電子器件頻譜中常見(jiàn)奇次諧波，因此本文提出采用高階奇次諧波重復(fù)控制器（OHRC）實(shí)現(xiàn)諧波抑制，同時(shí)減小運(yùn)算量，以便于工程應(yīng)用。對(duì)于高階OHRC，有ε=-1，H（z）=1，時(shí)延函數(shù)取為

式中：N 為基波信號(hào)離散周期，N=T/Ts，T為基波周期，Ts為采樣周期；M 代表模值為1 的極點(diǎn)個(gè)數(shù)。

此時(shí)，改進(jìn)型內(nèi)模變?yōu)?/p>

式（8）即為OHRC 的內(nèi)模表達(dá)式。為便于計(jì)算，本文取M=2，由式（5）、式（7）可得此時(shí)系統(tǒng)內(nèi)模為

由式（6）、式（7），同時(shí)為便于通過(guò)RC控制器補(bǔ)償被控對(duì)象相位滯后，取C(z)=kr[G(z)]-1，可得此時(shí)系統(tǒng)的敏感函數(shù)為

此時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分條件如下：

1）H（z）為零相位濾波器，且有||H（z）||∞<1；

3.3 電流環(huán)控制策略

基于以上分析，本文提出一種基于VPI 和OHRC 的單相FC 并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出電流控制策略：利用VPI 的無(wú)靜差跟蹤交流信號(hào)及零相位滯后的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)輸出工頻正弦電流的高效跟蹤；利用OHRC實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中奇次諧波的抑制，并提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、減小計(jì)算量。此時(shí)，系統(tǒng)控制框圖如圖4所示。

圖4 FC并網(wǎng)逆變器控制框圖Fig.4 FC grid-connected inverter control block diagram

4 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文提出的控制方法的有效性，搭建了以DSP TMS320F28335 為控制芯片的5 kW單相FC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。直流源選用額定功率為15 kW的可編程直流電源，輸出端接入電網(wǎng)，通過(guò)示波器觀測(cè)實(shí)驗(yàn)波形。系統(tǒng)的電氣參數(shù)如下：直流母線電壓380 V，直流母線電容200 μF，電網(wǎng)電壓230 V，電網(wǎng)頻率50 Hz，濾波電感L=1 mH，等效電阻R=15 mΩ。PI 控制器參數(shù)為：Kp=2.5，Ki=30。VPI 控制器參數(shù)為：Kp=5，Ki=100，kr=1。實(shí)驗(yàn)中將本文提出方法與傳統(tǒng)的基于PI控制的電流控制方法進(jìn)行了對(duì)比，并在逆變器正常運(yùn)行和負(fù)載突變時(shí)比較了兩種方法的優(yōu)劣，如圖5～圖7所示。

圖5 基于PI控制的電流穩(wěn)態(tài)波形及頻譜分析Fig.5 Steady-state current waveform and spectrum analysis based on PI control

圖5、圖6 為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出電流波形。由實(shí)驗(yàn)截圖可見(jiàn)，本文提出的控制策略可以提高輸出電流正弦度，明顯降低THD，提高系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量。

圖6 基于VPI+OHRC控制的電流穩(wěn)態(tài)波形及頻譜分析Fig.6 Steady-state current waveform and spectrum analysis based on VPI and OHRC control

圖7為并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)輸出功率突變時(shí)，輸出電流動(dòng)態(tài)波形。由實(shí)驗(yàn)截圖可見(jiàn)，本文提出的控制策略可以降低過(guò)渡過(guò)程諧波畸變，加快系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行的時(shí)間；而基于PI控制的輸出電流過(guò)渡過(guò)程較差。

圖7 兩種控制方法下的電流動(dòng)態(tài)波形Fig.7 Current dynamic waveforms of two control methods

5 結(jié)論

本文首先提出一種可以充分發(fā)揮分布式燃料電池發(fā)電技術(shù)的單相FC并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，針對(duì)傳統(tǒng)基于PI 控制的單相并網(wǎng)逆變器電流控制方法在工頻交流電流跟蹤和諧波抑制存在的不足，提出一種基于VPI 和OHRC 的新型控制策略，該控制方法不僅可以提高系統(tǒng)諧波抑制能力，而且可以保證系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)特性。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)證明了提出的控制方法是可行的，具有很高的工程實(shí)用價(jià)值。

［1］冷貴峰，吳政球，曾興嘉，等.燃料電池并網(wǎng)發(fā)電控制系統(tǒng)的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（14）：89-93.

［2］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.

［3］孫頻東.用于燃料電池的雙向中頻耦合逆變電源［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2006，26（5）：125-130.

［4］Lascu C，Asiminoaei L，Boldea I，et al. High Performance Current Controller for Selective Harmonic Compensation in Active Power Filters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2007，22（5）：1826-1835.

［5］Ramos G A，Costa-castello R. Power Factor Correction and Harmonic Compensation Using Second-order Odd-harmonic Repetitive Control［J］.IET Control Theory and Applications，2012，6（11）：1633-1644.