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燃料电池并网控制策略研究

燃料电池并网控制策略研究

    杨 伟，林 弘，赵 虎

    （南京理工大学动力工程学院，江苏 南京 210094）

    摘要：

针对传统的燃料电池并网控制方法对改善系统动态性能的不足之处，建立PEMF（CProton Exchange Membrane Fuel Cell）燃料电池发电系统中 DC/DC 升压变换器和逆变器的模型。

提出了燃料电池系统并网的控制策略，利用内外双闭环控制方法，使得逆变器输出达到系统要求。

建立了仿真系统的模型，并给出了燃料电池节点在网络方程中的处理方法。

对系统三相短路故障、电压跌落、负荷突变等情况进行了数值仿真，结果表明所提出的燃料电池并网控制策略在三相短路故障、电压跌落、负荷突变等情况下，能够使得含燃料电池的系统稳定运行，并能动态跟踪系统的功率输出情况。

    关键词：

燃料电池；并网控制策略；三相短路；数值仿真；系统稳定

    中图分类号：

 TM911 文献标识码：

A 文章编号：

 1674-3415（2011）21-0132-06

    0 引言

    燃料发电机组是典型的电力电子变换器形式的分布式发电电源，在现有的众多分布式发电技术中，燃料电池[1-3]具有能效高、环保、动态特性突出等特点，被称为 21 世纪的分布式电源。

随着现在电力紧缺现况的不断加重，燃料电池并网运行正逐渐变为一个大的趋势。

    质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 （ Proton ExchangeMembrane Fuel Cell，PEMFC）[4-5]由于选择氢气和液态甲醇等燃料，被认为是未来电动汽车、固定式电站的核心技术，近年来在笔记本电脑、手机等便携式电源上商业化应用的趋势加强，世界上各大汽车厂商均投入巨资加以研发，已成为国外电力行业重点开发的方向[6]。

然而由于燃料电池输出电压波动大，稳定性差，在负载变化较大的场合使用燃料电池时，电能质量得不到保证，输出的电能无法直接应用，因此有必要设计合适的变流器[7]；文献[8]设计了推挽正激变换器，提出了双 CDD 无源无损箝位电路，使系统具有很好的稳定及其动态影响，但是输出的是直流电，不能直接应用。

文献[9]提出的燃料电池逆变控制策略能够使输出的电流具有较小的稳态误差，但是不具备对输出功率的控制要求。

文献[10]设计了纹波电流控制器，这种控制器能够很好地抑制电流纹波，但控制器的设计非常复杂，不利于实际应用。

本文充分考虑 PEMFC 的输出功率和电能质量，设计燃料电池并网控制器，提出了一种新的并网控制策略，通过 Matlab 数值仿真，仿真结果表明所提出的控制策略的正确性。

    1 燃料电池系统并网控制策略

    研究燃料电池的目的是为了让其发电输出电能。

燃料电池的输出特性较软，也就是说随着负载不断增加，电流和功率随着增加；同时，燃料电池输出不符合用户电压等级，所以必须对其输出的电能进行变换以满足不同负载的需求。

    在燃料电池系统的发电启动过程中，由于电池堆还没有发电，系统的控制用电完全依赖辅助电源供给。

辅助电源是对电能进行变换，以获得燃料电池系统的所需各种电压。

Boost 开关调整器很适合在燃料电池系统中作为初级辅助电源的变换器。

为了并入电网，还必须采用逆变器将直流电转换为交流电。

    1.1 DC/DC 升压变换器

    Boost 电路如图 1 所示，由此可以写出其微分方程。

    1.2 逆变器的建模

    由图 2 所示，可得到两相同步旋转坐标系下的数学模型，如式（3）所示。

    可以看出此系统为强耦合系统，采用前馈解耦控制策略，电流环控制器采用 PI 控制器，可得控制方程：

    图 3 所示为本文所设计的采用内外双闭环控制的燃料电池并网逆变系统，其内环为 PI 电流控制环，外环采用有功和无功功率反馈控制环。

内环采用 PI 电流控制环是为了前馈解耦控制，由于 d、q轴电流变化的交互影响，为了消去两者之间的耦合项，采用这种方法可以提高系统的控制性能。

内环控制得出的误差，由外环经过反馈调整内环的给定值，从而使动态误差趋于零。

外环给定的是系统输出的有功量和无功量，其值由系统输出的电压电流量确定，这样可以动态跟踪系统输出的功率，达到稳定调节的目的。

    逆变器前端接的是 Boost 变换器，使得燃料电池组输出电压稳定并能够达到输出值；控制器采用PI 策略，当燃料电池输出因为负载变化、短路等情况而发生变化时，Boost 变换器能稳定前级电压并能抬升电压值，具有较好的动态性能。

    2 PEMFC 燃料电池系统并网动态仿真

    2.1 燃料电池在网络方程中节点处理

    如图 4 所示，两相旋转坐标系转换为两相静止坐标系变换矩阵为：

    2.2 系统仿真描述

    系统仿真模型如图 5 所示，系统参数详见文献[11]所示。

    本文采用的是 PEMFC 燃料电池，燃料电池输出额定功率为 6 kW，输出电压为 45~60 V，Boost变换器端 L1=0.5 mH，C1=7.5 mF，逆变器端 L=2.3mH，R=10 m 。

    设计燃料电池组发出功率 12 MW，输出电压500 V，经过一级变压达到 10 kV。

    2.3 仿真系统程序设计

    文中采用 Matlab 软件编程实现对上述系统的动态仿真。

根据具体的故障情况：

三相短路，电压跌落和负荷突变，分别编制子程序进行仿真。

具体程序框图如图 6 所示。

    1）三相接地短路的情况

    仿真条件：

仿真开始接入燃料电池组，5 s 时在节点 7 处发生三相接地短路，5.08 s 切除线路 5-7，仿真结果如图 7、图 8 所示。

    从图 7 可知，开始接入燃料电池机组对系统影响并不大，燃料电池输出电压曲线开始时有一振荡，但很快恢复平衡状态输出直流电压，短路对其影响不大，其开始的峰值主要由变换器的瞬时状态造成的；Boost 变换器输出电压能够达到 500 V 符合控制要求，满足 DC/AC 变换器的电压要求，短路对其影响比较大，有明显跌落。

短路后，燃料电池并网节点电压波动比较小，输出电压范围符合系统稳定运行的要求。

从图 8 可知，按照文中的控制方式逆变器在输出有功功率的同时，还可以输出一定的无功功率，并能够在短路故障情况下，使得功率曲线迅速恢复稳定，具有很好的跟踪动态功率的能力，保持输出功率稳定；逆变器 A 相电压曲线在短路期间暂降，输出波形完好并能够保持稳定。

    2）电压跌落的情况

    仿真条件：

仿真开始接入燃料电池组，5 s 时在节点 10 处电压有 50%的跌落，5.5 s 恢复正常电压，仿真结果如图 9、图 10 所示。

    从图 9 可以看出，在节点 10 处电压发生 50%的跌落时，对发电机的功角影响不是很大，在电压恢复后功角发生了一定的下降，但很快恢复稳定状态；对燃料电池堆输出电压影响不大，对 Boost 变换器的输出电压影响较大，输出电压曲线下跌。

从图 10 可以看出，对功率的影响比较大，有功和无功功率都在电压跌落时出现跌落，但恢复到稳定状态时间很短，在不到 1 s 的时间内恢复稳态值。

    3）负荷突变的情况

    仿真条件：

仿真开始接入燃料电池组，设定接在节点 5 上的负载为轻载（0.4 pu），系统运行在 5 s时负载突变为接近满载（0.95 pu），然后在 5.5 s 时恢复正常负载（0.6 pu）。

相应的仿真结果如图 11、图 12 所示。

    从图 11 可知，在 0~5 s 的时间范围内，节点 10上的负荷为轻载，在 5 s 时负载突变为重载，普通发电机的功角曲线和燃料电池并网节点发生了相应的跳动，功角曲线在恢复正常负载的 2 s 时间内恢复稳定；而电压曲线由于负荷重载吸收无功功率，出现电压跌落现象，恢复正常负荷后稳定在一个新的电压值；对燃料电池堆输出电压影响不是很大，但对 Boost 变换器的输出电压影响较大，输出电压曲线下跌。

    从图 12 可知，负荷的突变对逆变器的输出功率影响不大，功率曲线的波动很小，恢复到稳态的时间很短，动态响应能力强；从逆变器输出电压 A 相电压曲线看，在负荷轻载时，电压稳定运行在一个状态，当负荷突变后电压出现跌落，然后负荷恢复正常时，电压曲线快速恢复在一个新的稳定状态。

    依据以上仿真结果，可以看出所设计的燃料电池并网控制策略在三种故障情况下，能够使得燃料电池系统稳定运行，并能动态跟踪系统的功率输出情况，保证了有功功率和无功功率的稳定输出，保证了输出电压的稳定，具有较好的动态响应能力，验证了燃料电池并网系统设计的正确性。

    3 结论

    本文提出了一种燃料电池系统的并网控制策略，利用内外双闭环控制方法，能够使逆变器输出达到要求，通过 Matlab 数值仿真结果表明：

在系统发生三相短路、电压跌落、负荷突变等情况下，燃料电池能够稳定运行，并能保证系统的有功、无功和电压的稳定，具有较好的动态性能。

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