燃料电池并网控制策略研究[J]

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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(CProtonExchangeMembraneFuelCell)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，结果衣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

2、等情况卜•，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岀情况。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)21-0132-060引言燃料发电机组是典熨的电力电子变换器形式的分布式发电电源，在现冇的众多分布式发电技术屮，燃料电池［1・3］具冇能效鬲、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(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEM

3、FC)［4-5］由于选择氢气和液态甲醇等燃料，被认为是未來电动汽车、固定式电站的核心技术,近年來在笔记本电脑、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，己成为倒外电力行业重点开发的方向［6］。然而山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，因此冇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，使系统具冇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

4、有较小的稳态误差，但是不具备对输出功率的控制耍求。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hl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，所以必须対其输出的电能进行-变换以满足不同负载的需求。在燃料电池系统的发电

5、启动过程中，山于电池堆还没冇发电，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，以获得燃料屯池系统的所需各种屯压。Boost开关调整器很适介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。1.1DC/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。£图1Boost直流变换器Fig.1AcircuitofBoostDCconverter由图1所示的电路，可以写出其状态方程为:■■■kJ=■□11・飞12+■■AGD+X-A□.J■■(1)式中：为燃料电池输出电压；兀c为输出直流电压；Edc

6、为等效负载;刀的取值为｛0,1｝。变换器的控制策略采用PI控制，即“區+争厲:-比）⑵式中：瓦、&分别为比例和积分调节增益：卩J为给定值。1.2逆变器的建模山图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。Fig.2Three-phasevoltagesourceinverter令vd=vdc^d代入式（3）,可得数学模型:diL—=-Rid+㈢Zjq+ed-vddiL—=-Ri_coLi.+e_v出qdqq(4)可以看出此系统为强耦介系统，采用前馈解耦控制策略，电流环控制器采用PI控制器，町得控制方程:冬=+—）0q*_I）_叫+舄sVd=一（

7、心+y）（id*一】d）+mLiq+ed式中，叮、1,分别为4和〈的标准值。将式（4）代入式（5）中可得：Ai]r]rk=W6+（心+Fatss(5)(6)dilcIc叶=-(叭++dtss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，外环采用冇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Z间的耦合项，采用这种方法可以提髙系统的控制性能。内环控制得出的谋差，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。外坏给定的是系统输出的有功量和无功量，其值由系统

8、输出的电压