楊偉，林弘，趙虎

（南京理工大學動力工程學院，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，利用內外雙閉環(huán)控制方法，使得逆變器輸出達到系統(tǒng)要求。建立了仿真系統(tǒng)的模型，并給出了燃料電池節(jié)點在網(wǎng)絡方程中的處理方法。對系統(tǒng)三相短路故障、電壓跌落、負荷突變等情況進行了數(shù)值仿真，結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、負荷突變等情況下，能夠使得含燃料電池的系統(tǒng)穩(wěn)定運行，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，被稱為21世紀的分布式電源。隨著現(xiàn)在電力緊缺現(xiàn)況的不斷加重，燃料電池并網(wǎng)運行正逐漸變?yōu)橐粋€大的趨勢。

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）[4-5]由于選擇氫氣和液態(tài)甲醇等燃料，被認為是未來電動汽車、固定式電站的核心技術，近年來在筆記本電腦、手機等便攜式電源上商業(yè)化應用的趨勢加強，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，在負載變化較大的場合使用燃料電池時，電能質量得不到保證，輸出的電能無法直接應用，因此有必要設計合適的變流器[7]；文獻[8]設計了推挽正激變換器，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，不能直接應用。文獻[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[10]設計了紋波電流控制器，這種控制器能夠很好地抑制電流紋波，但控制器的設計非常復雜，不利于實際應用。本文充分考慮PEMFC的輸出功率和電能質量，設計燃料電池并網(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，也就是說隨著負載不斷增加，電流和功率隨著增加；同時，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行變換以滿足不同負載的需求。

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行變換，以獲得燃料電池系統(tǒng)的所需各種電壓。Boost開關調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所示為本文所設計的采用內外雙閉環(huán)控制的燃料電池并網(wǎng)逆變系統(tǒng)，其內環(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，采用這種方法可以提高系統(tǒng)的控制性能。內環(huán)控制得出的誤差，由外環(huán)經(jīng)過反饋調整內環(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，達到穩(wěn)定調節(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)定并能夠達到輸出值；控制器采用PI策略，當燃料電池輸出因為負載變化、短路等情況而發(fā)生變化時，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)絡方程中節(jié)點處理

如圖4所示，兩相旋轉坐標系轉換為兩相靜止坐標系變換矩陣為：

2.3仿真系統(tǒng)程序設計

文中采用Matlab軟件編程實現(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，電壓跌落和負荷突變，分別編制子程序進行仿真。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時在節(jié)點7處發(fā)生三相接地短路，5.08s切除線路5-7，仿真結果如圖7、圖8所示。

從圖7可知，開始接入燃料電池機組對系統(tǒng)影響并不大，燃料電池輸出電壓曲線開始時有一振蕩，但很快恢復平衡狀態(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狀態(tài)造成的；Boost變換器輸出電壓能夠達到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)點電壓波動比較小，輸出電壓范圍符合系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求。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，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時在節(jié)點10處電壓有50%的跌落，5.5s恢復正常電壓，仿真結果如圖9、圖10所示。

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

3）負荷突變的情況

仿真條件：仿真開始接入燃料電池組，設定接在節(jié)點5上的負載為輕載（0.4pu），系統(tǒng)運行在5s時負載突變?yōu)榻咏鼭M載（0.95pu），然后在5.5s時恢復正常負載（0.6pu）。相應的仿真結果如圖11、圖12所示。

從圖11可知，在0~5s的時間范圍內，節(jié)點10上的負荷為輕載，在5s時負載突變?yōu)橹剌d，普通發(fā)電機的功角曲線和燃料電池并網(wǎng)節(jié)點發(fā)生了相應的跳動，功角曲線在恢復正常負載的2s時間內恢復穩(wěn)定；而電壓曲線由于負荷重載吸收無功功率，出現(xiàn)電壓跌落現(xiàn)象，恢復正常負荷后穩(wěn)定在一個新的電壓值；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，恢復到穩(wěn)態(tài)的時間很短，動態(tài)響應能力強；從逆變器輸出電壓A相電壓曲線看，在負荷輕載時，電壓穩(wěn)定運行在一個狀態(tài)，當負荷突變后電壓出現(xiàn)跌落，然后負荷恢復正常時，電壓曲線快速恢復在一個新的穩(wěn)定狀態(tài)。

依據(jù)以上仿真結果，可以看出所設計的燃料電池并網(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)響應能力，驗證了燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)設計的正確性。

3結論

本文提出了一種燃料電池系統(tǒng)的并網(wǎng)控制策略，利用內外雙閉環(huán)控制方法，能夠使逆變器輸出達到要求，通過Matlab數(shù)值仿真結果表明：在系統(tǒng)發(fā)生三相短路、電壓跌落、負荷突變等情況下，燃料電池能夠穩(wěn)定運行，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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