燃料电池并网控制策略研究

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1、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

2、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

3、 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

4、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；

5、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）

6、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

7、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