基于PEMFC延时特性的发电系统建模与控制

冉莉莉，石繁荣

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

基于PEMFC延时特性的发电系统建模与控制

冉莉莉，石繁荣

(西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010)

针对质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统延时特性，建立了1.2 kW PEMFC简化动态模型，并与实验数据对比验证了模型的有效性。在此基础上，构建了包含50 kW PEMFC系统、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和滤波器在内的PEMFC发电系统模型，对并网运行和独立运行模式分别提出了同步PI电流控制和电压瞬时值反馈PI控制策略。仿真分析结果表明控制策略效果良好，能满足不同运行状态的要求。

质子交换膜燃料电池；DC/DC变换器；DC/AC逆变器；控制策略

近年来，分布式发电技术已成为各国研究的热点，而质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有效率高、模块结构、积木性强、稳定可控等特点，在分布式电源系统中具有广泛应用前景[1]。

已有大量文献对PEMFC本身和电堆系统进行了建模分析。采用电化学模型研究PEMFC动态特性[2]；使用质量平衡方程计算反应物流量[3]；建立面向控制的PEMFC系统综合模型，模型中含空气供应系统、能量管理系统、气体管道等固有辅机子系统[4-5]。针对PEMFC在分布式发电系统中的应用，文献[1]提出了交直流耦合SQ并网策略，仿真验证该策略能够提高系统的安全性和稳定性。文献[6]介绍了一个5 kW燃料电池分布式并网发电系统的设计，重点介绍了基于加权平均电流反馈的并网电流控制。文献[7]提出了内外双闭环控制方法，使得并网逆变器输出达到系统要求。

基于PEMFC系统工作原理，本文构建了适用于分析燃料电池动态特性的1.2 kW PEMFC系统简化模型。在此基础上，建立了包括50 kW PEMFC系统、Boost变换器、DC/AC逆变器以及LC滤波器的发电系统模型，并根据不同的运行状态给出了控制策略。仿真结果表明，简化的PEMFC系统模型能反映系统的延时特性，控制策略能满足不同运行状态的要求。

1 PEMFC建模与特性分析

1.1 PEMFC建模

PEMFC在两电极发生的化学反应如下：

根据前文可知，PEMFC建模通常采用的方法主要有两大类：只考虑燃料电池本身的电堆建模；考虑空压机、氢气罐等外围设备的电池系统整体模型。前一种建模不能有效反映系统延迟；后一种能反映系统延迟，但系统建模复杂。由于空压机、氢气罐、气体管道等对燃料的影响主要表现在燃料气体的响应时间延迟，故本文将上述设备简化为一个延时环节1/(1+Ts)，达到反映系统延迟目的。系统模型框图如图1所示。

1.2 PEMFC特性分析

为定性说明以上模型的有效性，本文根据图1搭建1.2 kW PEMFC动态模型(参数设置可参考文献[8])，将负载电流变化时的电压输出结果(如图2)与文献[9]中Ballard Nexa 1.2 kW PEMFC测试系统实验数据进行对比。由图2知，输出电压趋势与文献[9]基本保持一致，且与文献[10]中描述的PEMFC输出电压实际动态响应变化曲线一致，也从侧面验证了本文模型的正确性。

图1 PEMFC动态模型框图

图2 电压仿真输出结果

为进一步验证模型的动态特性，设置负荷电流从33.4 A阶跃至44.6 A时，仿真计及响应时间延迟(即实际状态)与不计任何延迟时间(不考虑PEMFC中双层电荷现象)的PEMFC动态响应特性变化，其结果如图3所示。

图3中，不计任何延迟时间时，由于反应气体能瞬时响应，输出电压和功率呈标准的阶跃变化；当考虑气体响应时间时，负荷电流的突然增加使反应气体不能及时响应，故电压出现瞬时急剧下降，随着反应气体供应逐渐达到新的平衡值，电堆电压也逐渐升高到稳定值；输出功率也由于气体供应的原因呈缓慢平滑趋势逐渐上升至负荷所需功率。

图3 电流阶跃变化时PEMFC响应特性

由以上仿真分析结果可以看出，延时环节能在一定程度上反映PEMFC实际动态响应特性，该模型可用于后续功率较大的PEMFC发电系统建模。

2 PEMFC发电系统模型与控制

PEMFC发电系统拓扑图如图4所示。PEMFC电堆额定输出功率为50 kW，Boost变换器将PEMFC输出电压升压至1 000 V。DC/AC逆变器根据工作模式不同，采用不同控制方式。

图4 50 kW PEMFC发电系统拓扑图

2.1 Boost变换器控制

图5为含燃料电池(FC)的Boost变换器反馈控制框图[11]。

图5 含FC的Boost反馈控制框图

图5中，各传递函数表达式如下：

式中：Vin为额定状态下输入直流电压；D为占空比；Vm为PWM调制器的锯齿波幅值；R为负载等效电阻；L、C分别为输入电感、输出电容；kp、ki为PI补偿参数。

2.2 DC/AC变换器控制

DC/AC逆变器处于并网运行状态和独立运行状态时，文中分别采用同步PI电流控制和电压瞬时值反馈PI控制。

2.2.1 同步PI电流控制

图6为同步PI电流控制框图，SPLL表示锁相环，SPWM表示正弦脉宽调制。

图6 同步PI电流控制框图

2.2.2 电压瞬时值反馈PI控制

图7为逆变系统控制框图，H(s)为PI控制环节；Kpwm=Vdc/Vm，Vm本文取为1；R/(LCRs2+Ls+R)为LC滤波器传递函数。

图7 逆变系统控制框图

3 仿真分析

3.1 并网运行

并网运行仿真参数设计如下：PEMFC发电系统额定输出功率为50 kW，无功为0 kvar；负荷在t=5 s时从100 kW突变到150 kW，无功负荷为0 kvar。仿真结果如图8所示。

图8中，PEMFC发电系统输出很快维持在了设定值，配电网承担了剩余负荷的功率。当负荷发生阶跃变化时，配电网输出发生相应变化，满足了负荷的需求。PEMFC电堆输出电压通过Boost变换器升高并稳定在1 000 V，满足了DC/AC逆变器对电压的要求。同时，并网电流和电网电压保持同频率，实现了单位功率因数并网。

图8 并网运行仿真结果

3.2 独立运行

独立运行仿真参数设计如下：三相负载为纯有功负载，负载为Y型联结，负荷在t=10 s时从30 kW突变到40 kW。仿真结果如图9所示。

图9 独立运行仿真结果

由图9可知，PEMFC电堆能够很好地跟随负荷需求，负荷突变瞬间PEMFC输出功率出现超调量较大的现象主要是受Boost变换器超调量影响。此外，电流波形良好，谐波成分及畸变率较小。

4 结论

为更好反映PEMFC电堆系统本身响应延时特性，本文研究了计及PEMFC延时情况下的负荷电流改变的动态特性。通过Boost变换器将燃料电池输出电压稳定至额定电压，克服了燃料电池输出特性软的特点。DC/AC变换器采用同步PI电流控制和电压瞬时值反馈PI控制，以满足变换器运行模式的要求。通过仿真表明，本文提出的PEMFC模型能反映出PEMFC实际动态响应缓慢的实际情况，控制策略效果良好，能满足燃料电池并网运行和独立运行要求。

[1]彭飞，赵元哲，陈维荣.基于质子交换膜燃料电池的交直流耦合SQ并网控制方法[J].电力系统自动化，2013，37(24)：12-18.

[2]徐腊梅，肖金生.质子交换膜燃料电池动态特性的建模与仿真[J].武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2007，29(3)：10-13.

[3]KHAN M J,LQBAL M T.Modelling and analysis of electrochemical,thermal,and recetant flow dynamics for a PEM fuel cell system[J].Fuel Cells,2004,5(4):463-475.

[4]CHOE S Y,AHN J W,LEE J G,et al.Dynamic simulator for a PEM fuel cell system with a PWM DC/DC converter[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2008,23(2):669-680.

[5]周苏，高昆鹏，支雪磊.一种改进的质子交换膜燃料电池系统动态模型[J].同济大学学报：自然科学版，2015，43(6)：882-887.

[6]朱选才，沈国桥，徐德鸿.5kW燃料电池分布式并网发电系统设计[J].电力电子技术，2009，43(10)：24-26.

[7]杨伟，林弘，赵虎.燃料电池并网控制策略研究[J].电力系统保护与控制，2011，39(21)：132-137.

[8]冉莉莉.基于燃料电池的分布式发电系统研究[D].四川：西南交通大学，2013.

[9]LI Q,CHEN W,WANG Y,et al.Robust H∞suboptimal control based on effective informed adaptive particle swarm optimisation algorithm for proton exchange membrane fuel cell system[J].IET Renewable Power Generation,2012,6(4):217-225.

[10]华周发.质子交换膜燃料电池动态响应研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.

[11]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京：机械工业出版社，2006.

Modeling and control strategy of generation system based on time delay characteristics of PEMFC

RAN Li-li,SHI Fan-rong
(School of Information Engineering,Southwest University of Science and Technology,Mianyang Sichuan 621010,China)

In view of the time delay characteristics of proton exchange membrane fuel cell(PMEFC)system,a 1.2 kW PEMFC simplified dynamic model was built.Compared with the experimental data,the validity of the model was verified.On this base,a PEMFC power system model including 50 kW PEMFC system,DC/DC converter,DC/AC inverter and filter was developed. Respectively for the operation mode of parallel operation and independent,synchronous PI current control and voltage instantaneous value feedback PI control strategy were proposed.Simulation results show that the effect of control strategy is good and can meet the requirements of different operating conditions.

proton exchange membrane fuel cell;DC/DC converter;DC/AC inverter;control strategy

TM 911.4

A

1002-087 X(2017)10-1416-04

2017-03-06

冉莉莉(1987—)，女，重庆市人，硕士，主要研究方向为新能源燃料电池建模及其控制。