冉莉莉，石繁榮

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

基于PEMFC延時(shí)特性的發(fā)電系統(tǒng)建模與控制

冉莉莉，石繁榮

(西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽621010)

針對質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)延時(shí)特性，建立了1.2 kW PEMFC簡化動(dòng)態(tài)模型，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比驗(yàn)證了模型的有效性。在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建了包含50 kW PEMFC系統(tǒng)、DC/DC變換器、DC/AC逆變器和濾波器在內(nèi)的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)模型，對并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行模式分別提出了同步PI電流控制和電壓瞬時(shí)值反饋PI控制策略。仿真分析結(jié)果表明控制策略效果良好，能滿足不同運(yùn)行狀態(tài)的要求。

質(zhì)子交換膜燃料電池；DC/DC變換器；DC/AC逆變器；控制策略

近年來，分布式發(fā)電技術(shù)已成為各國研究的熱點(diǎn)，而質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有效率高、模塊結(jié)構(gòu)、積木性強(qiáng)、穩(wěn)定可控等特點(diǎn)，在分布式電源系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景[1]。

已有大量文獻(xiàn)對PEMFC本身和電堆系統(tǒng)進(jìn)行了建模分析。采用電化學(xué)模型研究PEMFC動(dòng)態(tài)特性[2]；使用質(zhì)量平衡方程計(jì)算反應(yīng)物流量[3]；建立面向控制的PEMFC系統(tǒng)綜合模型，模型中含空氣供應(yīng)系統(tǒng)、能量管理系統(tǒng)、氣體管道等固有輔機(jī)子系統(tǒng)[4-5]。針對PEMFC在分布式發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用，文獻(xiàn)[1]提出了交直流耦合SQ并網(wǎng)策略，仿真驗(yàn)證該策略能夠提高系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]介紹了一個(gè)5 kW燃料電池分布式并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了基于加權(quán)平均電流反饋的并網(wǎng)電流控制。文獻(xiàn)[7]提出了內(nèi)外雙閉環(huán)控制方法，使得并網(wǎng)逆變器輸出達(dá)到系統(tǒng)要求。

基于PEMFC系統(tǒng)工作原理，本文構(gòu)建了適用于分析燃料電池動(dòng)態(tài)特性的1.2 kW PEMFC系統(tǒng)簡化模型。在此基礎(chǔ)上，建立了包括50 kW PEMFC系統(tǒng)、Boost變換器、DC/AC逆變器以及LC濾波器的發(fā)電系統(tǒng)模型，并根據(jù)不同的運(yùn)行狀態(tài)給出了控制策略。仿真結(jié)果表明，簡化的PEMFC系統(tǒng)模型能反映系統(tǒng)的延時(shí)特性，控制策略能滿足不同運(yùn)行狀態(tài)的要求。

1 PEMFC建模與特性分析

1.1 PEMFC建模

PEMFC在兩電極發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下：

根據(jù)前文可知，PEMFC建模通常采用的方法主要有兩大類：只考慮燃料電池本身的電堆建模；考慮空壓機(jī)、氫氣罐等外圍設(shè)備的電池系統(tǒng)整體模型。前一種建模不能有效反映系統(tǒng)延遲；后一種能反映系統(tǒng)延遲，但系統(tǒng)建模復(fù)雜。由于空壓機(jī)、氫氣罐、氣體管道等對燃料的影響主要表現(xiàn)在燃料氣體的響應(yīng)時(shí)間延遲，故本文將上述設(shè)備簡化為一個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)1/(1+Ts)，達(dá)到反映系統(tǒng)延遲目的。系統(tǒng)模型框圖如圖1所示。

1.2 PEMFC特性分析

為定性說明以上模型的有效性，本文根據(jù)圖1搭建1.2 kW PEMFC動(dòng)態(tài)模型(參數(shù)設(shè)置可參考文獻(xiàn)[8])，將負(fù)載電流變化時(shí)的電壓輸出結(jié)果(如圖2)與文獻(xiàn)[9]中Ballard Nexa 1.2 kW PEMFC測試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比。由圖2知，輸出電壓趨勢與文獻(xiàn)[9]基本保持一致，且與文獻(xiàn)[10]中描述的PEMFC輸出電壓實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化曲線一致，也從側(cè)面驗(yàn)證了本文模型的正確性。

圖1 PEMFC動(dòng)態(tài)模型框圖

圖2 電壓仿真輸出結(jié)果

為進(jìn)一步驗(yàn)證模型的動(dòng)態(tài)特性，設(shè)置負(fù)荷電流從33.4 A階躍至44.6 A時(shí)，仿真計(jì)及響應(yīng)時(shí)間延遲(即實(shí)際狀態(tài))與不計(jì)任何延遲時(shí)間(不考慮PEMFC中雙層電荷現(xiàn)象)的PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性變化，其結(jié)果如圖3所示。

圖3中，不計(jì)任何延遲時(shí)間時(shí)，由于反應(yīng)氣體能瞬時(shí)響應(yīng)，輸出電壓和功率呈標(biāo)準(zhǔn)的階躍變化；當(dāng)考慮氣體響應(yīng)時(shí)間時(shí)，負(fù)荷電流的突然增加使反應(yīng)氣體不能及時(shí)響應(yīng)，故電壓出現(xiàn)瞬時(shí)急劇下降，隨著反應(yīng)氣體供應(yīng)逐漸達(dá)到新的平衡值，電堆電壓也逐漸升高到穩(wěn)定值；輸出功率也由于氣體供應(yīng)的原因呈緩慢平滑趨勢逐漸上升至負(fù)荷所需功率。

圖3 電流階躍變化時(shí)PEMFC響應(yīng)特性

由以上仿真分析結(jié)果可以看出，延時(shí)環(huán)節(jié)能在一定程度上反映PEMFC實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，該模型可用于后續(xù)功率較大的PEMFC發(fā)電系統(tǒng)建模。

2 PEMFC發(fā)電系統(tǒng)模型與控制

PEMFC發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D如圖4所示。PEMFC電堆額定輸出功率為50 kW，Boost變換器將PEMFC輸出電壓升壓至1 000 V。DC/AC逆變器根據(jù)工作模式不同，采用不同控制方式。

圖4 50 kW PEMFC發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)鋱D

2.1 Boost變換器控制

圖5為含燃料電池(FC)的Boost變換器反饋控制框圖[11]。

圖5 含F(xiàn)C的Boost反饋控制框圖

圖5中，各傳遞函數(shù)表達(dá)式如下：

式中：Vin為額定狀態(tài)下輸入直流電壓；D為占空比；Vm為PWM調(diào)制器的鋸齒波幅值；R為負(fù)載等效電阻；L、C分別為輸入電感、輸出電容；kp、ki為PI補(bǔ)償參數(shù)。

2.2 DC/AC變換器控制

DC/AC逆變器處于并網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)和獨(dú)立運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，文中分別采用同步PI電流控制和電壓瞬時(shí)值反饋PI控制。

2.2.1 同步PI電流控制

圖6為同步PI電流控制框圖，SPLL表示鎖相環(huán)，SPWM表示正弦脈寬調(diào)制。

圖6 同步PI電流控制框圖

2.2.2 電壓瞬時(shí)值反饋PI控制

圖7為逆變系統(tǒng)控制框圖，H(s)為PI控制環(huán)節(jié)；Kpwm=Vdc/Vm，Vm本文取為1；R/(LCRs2+Ls+R)為LC濾波器傳遞函數(shù)。

圖7 逆變系統(tǒng)控制框圖

3 仿真分析

3.1 并網(wǎng)運(yùn)行

并網(wǎng)運(yùn)行仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下：PEMFC發(fā)電系統(tǒng)額定輸出功率為50 kW，無功為0 kvar；負(fù)荷在t=5 s時(shí)從100 kW突變到150 kW，無功負(fù)荷為0 kvar。仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8中，PEMFC發(fā)電系統(tǒng)輸出很快維持在了設(shè)定值，配電網(wǎng)承擔(dān)了剩余負(fù)荷的功率。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生階躍變化時(shí)，配電網(wǎng)輸出發(fā)生相應(yīng)變化，滿足了負(fù)荷的需求。PEMFC電堆輸出電壓通過Boost變換器升高并穩(wěn)定在1 000 V，滿足了DC/AC逆變器對電壓的要求。同時(shí)，并網(wǎng)電流和電網(wǎng)電壓保持同頻率，實(shí)現(xiàn)了單位功率因數(shù)并網(wǎng)。

圖8 并網(wǎng)運(yùn)行仿真結(jié)果

3.2 獨(dú)立運(yùn)行

獨(dú)立運(yùn)行仿真參數(shù)設(shè)計(jì)如下：三相負(fù)載為純有功負(fù)載，負(fù)載為Y型聯(lián)結(jié)，負(fù)荷在t=10 s時(shí)從30 kW突變到40 kW。仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 獨(dú)立運(yùn)行仿真結(jié)果

由圖9可知，PEMFC電堆能夠很好地跟隨負(fù)荷需求，負(fù)荷突變瞬間PEMFC輸出功率出現(xiàn)超調(diào)量較大的現(xiàn)象主要是受Boost變換器超調(diào)量影響。此外，電流波形良好，諧波成分及畸變率較小。

4 結(jié)論

為更好反映PEMFC電堆系統(tǒng)本身響應(yīng)延時(shí)特性，本文研究了計(jì)及PEMFC延時(shí)情況下的負(fù)荷電流改變的動(dòng)態(tài)特性。通過Boost變換器將燃料電池輸出電壓穩(wěn)定至額定電壓，克服了燃料電池輸出特性軟的特點(diǎn)。DC/AC變換器采用同步PI電流控制和電壓瞬時(shí)值反饋PI控制，以滿足變換器運(yùn)行模式的要求。通過仿真表明，本文提出的PEMFC模型能反映出PEMFC實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)緩慢的實(shí)際情況，控制策略效果良好，能滿足燃料電池并網(wǎng)運(yùn)行和獨(dú)立運(yùn)行要求。

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Modeling and control strategy of generation system based on time delay characteristics of PEMFC

RAN Li-li,SHI Fan-rong
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

In view of the time delay characteristics of proton exchange membrane fuel cell(PMEFC)system,a 1.2 kW PEMFC simplified dynamic model was built.Compared with the experimental data,the validity of the model was verified.On this base,a PEMFC power system model including 50 kW PEMFC system,DC/DC converter,DC/AC inverter and filter was developed. Respectively for the operation mode of parallel operation and independent,synchronous PI current control and voltage instantaneous value feedback PI control strategy were proposed.Simulation results show that the effect of control strategy is good and can meet the requirements of different operating conditions.

proton exchange membrane fuel cell;DC/DC converter;DC/AC inverter;control strategy

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)10-1416-04

2017-03-06

冉莉莉(1987—)，女，重慶市人，碩士，主要研究方向?yàn)樾履茉慈剂想姵亟＜捌淇刂啤?/p>