楊偉，林弘，趙虎

（南京理工大學(xué)動力工程學(xué)院，江蘇南京210094）

摘要：針對傳統(tǒng)的燃料電池并網(wǎng)控制方法對改善系統(tǒng)動態(tài)性能的不足之處，建立PEMFC（Proton Exchange Membrane Fuel Cell）燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中DC/DC升壓變換器和逆變器的模型。提出了燃料電池系統(tǒng)并網(wǎng)的控制策略，利用內(nèi)外雙閉環(huán)控制方法，使得逆變器輸出達(dá)到系統(tǒng)要求。建立了仿真系統(tǒng)的模型，并給出了燃料電池節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)方程中的處理方法。對系統(tǒng)三相短路故障、電壓跌落、負(fù)荷突變等情況進(jìn)行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明所提出的燃料電池并網(wǎng)控制策略在三相短路故障、電壓跌落、負(fù)荷突變等情況下，能夠使得含燃料電池的系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并能動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的功率輸出情況。

0引言

燃料發(fā)電機(jī)組是典型的電力電子變換器形式的分布式發(fā)電電源，在現(xiàn)有的眾多分布式發(fā)電技術(shù)中，燃料電池[1-3]具有能效高、環(huán)保、動態(tài)特性突出等特點(diǎn)，被稱為21世紀(jì)的分布式電源。隨著現(xiàn)在電力緊缺現(xiàn)況的不斷加重，燃料電池并網(wǎng)運(yùn)行正逐漸變?yōu)橐粋€(gè)大的趨勢。

質(zhì)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(tài)甲醇等燃料，被認(rèn)為是未來電動汽車、固定式電站的核心技術(shù)，近年來在筆記本電腦、手機(jī)等便攜式電源上商業(yè)化應(yīng)用的趨勢加強(qiáng)，世界上各大汽車廠商均投入巨資加以研發(fā)，已成為國外電力行業(yè)重點(diǎn)開發(fā)的方向[6]。然而由于燃料電池輸出電壓波動大，穩(wěn)定性差，在負(fù)載變化較大的場合使用燃料電池時(shí)，電能質(zhì)量得不到保證，輸出的電能無法直接應(yīng)用，因此有必要設(shè)計(jì)合適的變流器[7]；文獻(xiàn)[8]設(shè)計(jì)了推挽正激變換器，提出了雙CDD無源無損箝位電路，使系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定及其動態(tài)影響，但是輸出的是直流電，不能直接應(yīng)用。文獻(xiàn)[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(wěn)態(tài)誤差，但是不具備對輸出功率的控制要求。

文獻(xiàn)[10]設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)非常復(fù)雜，不利于實(shí)際應(yīng)用。本文充分考慮PEMFC的輸出功率和電能質(zhì)量，設(shè)計(jì)燃料電池并網(wǎng)控制器，提出了一種新的并網(wǎng)控制策略，通過Matlab數(shù)值仿真，仿真結(jié)果表明所提出的控制策略的正確性。

1燃料電池系統(tǒng)并網(wǎng)控制策略

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

在燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電啟動過程中，由于電池堆還沒有發(fā)電，系統(tǒng)的控制用電完全依賴輔助電源供給。輔助電源是對電能進(jìn)行變換，以獲得燃料電池系統(tǒng)的所需各種電壓。Boost開關(guān)調(diào)整器很適合在燃料電池系統(tǒng)中作為初級輔助電源的變換器。為了并入電網(wǎng)，還必須采用逆變器將直流電轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的采用內(nèi)外雙閉環(huán)控制的燃料電池并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，其內(nèi)環(huán)為PI電流控制環(huán)，外環(huán)采用有功和無功功率反饋控制環(huán)。內(nèi)環(huán)采用PI電流控制環(huán)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(xiàng)，采用這種方法可以提高系統(tǒng)的控制性能。內(nèi)環(huán)控制得出的誤差，由外環(huán)經(jīng)過反饋調(diào)整內(nèi)環(huán)的給定值，從而使動態(tài)誤差趨于零。外環(huán)給定的是系統(tǒng)輸出的有功量和無功量，其值由系統(tǒng)輸出的電壓電流量確定，這樣可以動態(tài)跟蹤系統(tǒng)輸出的功率，達(dá)到穩(wěn)定調(diào)節(jié)的目的。

逆變器前端接的是Boost變換器，使得燃料電池組輸出電壓穩(wěn)定并能夠達(dá)到輸出值；控制器采用PI策略，當(dāng)燃料電池輸出因?yàn)樨?fù)載變化、短路等情況而發(fā)生變化時(shí)，Boost變換器能穩(wěn)定前級電壓并能抬升電壓值，具有較好的動態(tài)性能。

2 PEMFC燃料電池系統(tǒng)并網(wǎng)動態(tài)仿真

2.1燃料電池在網(wǎng)絡(luò)方程中節(jié)點(diǎn)處理

如圖4所示，兩相旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為兩相靜止坐標(biāo)系變換矩陣為：

2.3仿真系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

文中采用Matlab軟件編程實(shí)現(xiàn)對上述系統(tǒng)的動態(tài)仿真。根據(jù)具體的故障情況：三相短路，電壓跌落和負(fù)荷突變，分別編制子程序進(jìn)行仿真。具體程序框圖如圖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組，5s時(shí)在節(jié)點(diǎn)7處發(fā)生三相接地短路，5.08s切除線路5-7，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

從圖7可知，開始接入燃料電池機(jī)組對系統(tǒng)影響并不大，燃料電池輸出電壓曲線開始時(shí)有一振蕩，但很快恢復(fù)平衡狀態(tài)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(shí)狀態(tài)造成的；Boost變換器輸出電壓能夠達(dá)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，有明顯跌落。短路后，燃料電池并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)電壓波動比較小，輸出電壓范圍符合系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(shí)，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(fù)穩(wěn)定，具有很好的跟蹤動態(tài)功率的能力，保持輸出功率穩(wěn)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(wěn)定。

2）電壓跌落的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池組，5s時(shí)在節(jié)點(diǎn)10處電壓有50%的跌落，5.5s恢復(fù)正常電壓，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

從圖9可以看出，在節(jié)點(diǎn)10處電壓發(fā)生50%的跌落時(shí)，對發(fā)電機(jī)的功角影響不是很大，在電壓恢復(fù)后功角發(fā)生了一定的下降，但很快恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)；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(shí)出現(xiàn)跌落，但恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間很短，在不到1s的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)值。

3）負(fù)荷突變的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池組，設(shè)定接在節(jié)點(diǎn)5上的負(fù)載為輕載（0.4pu），系統(tǒng)運(yùn)行在5s時(shí)負(fù)載突變?yōu)榻咏鼭M載（0.95pu），然后在5.5s時(shí)恢復(fù)正常負(fù)載（0.6pu）。相應(yīng)的仿真結(jié)果如圖11、圖12所示。

從圖11可知，在0~5s的時(shí)間范圍內(nèi)，節(jié)點(diǎn)10上的負(fù)荷為輕載，在5s時(shí)負(fù)載突變?yōu)橹剌d，普通發(fā)電機(jī)的功角曲線和燃料電池并網(wǎng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生了相應(yīng)的跳動，功角曲線在恢復(fù)正常負(fù)載的2s時(shí)間內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定；而電壓曲線由于負(fù)荷重載吸收無功功率，出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，恢復(fù)正常負(fù)荷后穩(wěn)定在一個(gè)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(fù)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(fù)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間很短，動態(tài)響應(yīng)能力強(qiáng)；從逆變器輸出電壓A相電壓曲線看，在負(fù)荷輕載時(shí)，電壓穩(wěn)定運(yùn)行在一個(gè)狀態(tài)，當(dāng)負(fù)荷突變后電壓出現(xiàn)跌落，然后負(fù)荷恢復(fù)正常時(shí)，電壓曲線快速恢復(fù)在一個(gè)新的穩(wěn)定狀態(tài)。

依據(jù)以上仿真結(jié)果，可以看出所設(shè)計(jì)的燃料電池并網(wǎng)控制策略在三種故障情況下，能夠使得燃料電池系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，并能動態(tài)跟蹤系統(tǒng)的功率輸出情況，保證了有功功率和無功功率的穩(wěn)定輸出，保證了輸出電壓的穩(wěn)定，具有較好的動態(tài)響應(yīng)能力，驗(yàn)證了燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。

3結(jié)論

本文提出了一種燃料電池系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略，利用內(nèi)外雙閉環(huán)控制方法，能夠使逆變器輸出達(dá)到要求，通過Matlab數(shù)值仿真結(jié)果表明：在系統(tǒng)發(fā)生三相短路、電壓跌落、負(fù)荷突變等情況下，燃料電池能夠穩(wěn)定運(yùn)行，并能保證系統(tǒng)的有功、無功和電壓的穩(wěn)定，具有較好的動態(tài)性能。

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