一种适用于燃料电池-超级电容发电系统的控制策略

陈 骞，周 竞，陆 翌，裘 鹏，丁 超，倪晓军

（1.国网浙江省电力有限公司电力科学研究院，杭州 310014；2.国网浙江省电力有限公司杭州供电公司，杭州 310014）

0 引言

随着现代工业的不断发展，发电技术与发电能力直接决定了国家未来的发展。为了满足环保和能源方面的需要，使用清洁能源的燃料电池发电技术显示出了良好的发展前景，并被誉为继传统发电技术，火，水，核电之后的第四代发电技术[1-4]。燃料电池可广泛应用于分布式发电，运输工具动力源，便携式电源等场合[5-7]。

由于燃料电池是电化学反应装置，并且需要通过反应气体的流量来实现电压的调整，而这些调节过程往往依赖于一些机械装置的调节速度，存在较大的延时，所以燃料电池的动态性能较差，响应速度较慢。除此之外，当出现电流的瞬时变化时，燃料电池由于供给燃料不足，会出现其特有的饥饿现象[5-6]，可能造成燃料电池反应膜的过热和干燥，从而降低膜的导电性，增加欧姆极化损失，影响燃料电池的输出性能，甚至会缩短燃料电池的寿命。因此需要选择蓄电池、超级电容等作为辅助电源提供瞬时功率、配合燃料电池发电[8-9]。

燃料电池发电系统的架构和对应的控制策略是燃料电池使用的核心技术之一，国内外专家在此方面已取得一定的研究成果。文献[10]基于燃料电池直接并联至母线的架构提出了超级电容的三环控制策略，但该策略仅可实现超级电容电压控制。文献[11]采用级联式架构，提出超级电容变换器控制母线电压，燃料电池变换器提供负载低频电流的策略，该策略影响超级电容吸收负载能量。文献[12]采用燃料电池、超级电容均通过变换器并联至母线的架构，提出了超级电容变换器控制直流母线电压，燃料电池变换器控制超级电容电压的策略，其中超级电容电压控制环和直流母线电压控制环相互耦合，控制参数设计困难。

总结前人的研究经验可以看出，现在的燃料电池发电系统中，通常采用蓄电池或者超级电容作为辅助源。虽然蓄电池在比能量上有着相对优势，但是其功率和寿命明显不如超级电容。并且以蓄电池为辅助源的供电系统，多采用直接并联至母线的形式，这样的系统通常不具备很好的母线调节能力。基于以上原因，本文选取超级电容作为辅助电源，并采用燃料电池和超级电容分别通过功率调节装置连接至直流母线的架构，提出对应的能量管理策略和控制策略以实现较优的直流母线稳态和动态特性。

1 燃料电池发电系统的能量流动工况

燃料电池发电系统的四种能量流动工况如图1 所示。

图1（a）为燃料电池发电系统稳态运行时的能量流动工况，此时全部负载功率由燃料电池单独提供，充分利用主电源的能量，而辅助电源超级电容保持在充满电状态，可消纳瞬态功率。

图1 燃料电池发电系统能量流动工况

图1（b）为负载功率需求瞬时上升或短时稳定地超出燃料电池可提供的最大功率时的能量流动工况，燃料电池和超级电容同时为负载提供功率。由于负载功率突变时燃料电池的功率响应受限，瞬时变化的功率由超级电容来消纳，当负载功率需求较大时，超级电容可提供部分稳态功率。

如图1（c）所示，当超级电容能量不足并且负载功率小于燃料电池输出功率时，燃料电池不仅提供负载功率需求，而且还对超级电容充电，为下一次的功率突变做准备。

图1（d）所示的工况主要发生在燃料电池启动阶段，由于燃料电池在启动过程中不能带负载，由超级电容单独对负载供电，以确保燃料电池正常启动。

2 燃料电池发电系统的控制策略

燃料电池发电系统既要满足母线负载稳态和瞬态功率需求，又要使主电源燃料电池的能量得到充分利用。超级电容的充放电策略和系统控制策略是实现能量管理的关键。为满足能量管理的要求，设计一种适用于并联式燃料电池发电系统的控制策略，如图2 所示，主要包括燃料电池的单向功率变换器、超级电容的双向功率变换器及其控制电路。

双向变换器控制电路以稳定母线电压为目的，取母线电压和电感电流（输入电流）两种反馈信号的双环控制方式。其中电压控制环是外环，电流控制环是内环，分别实现电压和电流的自动调节。电流反馈的引入可以改善双向变换器的瞬态特性和稳态特性，并且能够限制双向变换器中流过的最大电流，有利于延长超级电容和开关管的寿命。双向变换器的控制量全部取至超级电容支路，因此控制过程相对独立。

单向变换器控制电路以调节超级电容电压为目的，同样采用双环控制。外环为超级电容电压环，保证超级电容电压在最优工作区间内。超级电容的电压基准VSC-ref分为上限值VSC-ref-H和下限值VSC-ref-L，当VSC高于上限值VSC-ref-H时，通过降低燃料电池的输出功率使得超级电容放电，VSC降至上限值以下；当VSC低于下限值VSC-ref-L时，通过增加燃料电池的输出功率使得超级电容电压充电，VSC升至下限值以上；当VSC处于上下限值之间时，燃料电池的输出功率不调节。内环为燃料电池电流环，可实现对燃料电池输出电流的幅值以及变化斜率的控制，防止出现饥饿效应，保护燃料电池。

3 仿真结果

为验证设计的控制策略的可行性，使用Psim仿真软件搭建氢氧燃料电池、超级电容及其功率变换器的仿真模型，从稳态特性和动态特性两方面分别进行仿真验证。燃料电池发电系统的基本参数见表1。

表1 燃料电池发电系统的基本参数

根据氢氧燃料电池的数学模型搭建其仿真模型，对应的静态和动态特性如图3、图4 所示。燃料电池电压范围30～60 V，功率3 500 W，选取燃料电池单体70 串20 并组合实现。如图5 所示的是组合后的燃料电池仿真模型输出的功率和电压值。

超级电容的仿真模型采用电容与其等效串联电阻串联的形式实现。通常超级电容单体电压值为2.5～2.7 V，选取20 个单体串联可将电压提升至48 V 左右。设定超级电容的工作电压范围在25～48 V。

图2 燃料电池发电系统控制策略示意

图3 燃料电池仿真模型静态输出特性曲线

图4 燃料电池仿真模型动态输出特性曲线

图5 燃料电池仿真模型输出功率-电压曲线

超级电容容值的选取可以根据如式（1）计算：

式中：P 表示的是超级电容功率；t 表示的是超级电容需要的供电时间；C 为所选取的容值；Vmax和Vmin分别表示超级电容的最高和最低工作电压。将各参数的数值带入式（1）可得到C≥357.36 F。选取单体容值为3 000 F 的超级电容，以20 串联3 组并联的形式可达到需求。容值C=450 F。查阅超级电容厂家的数据表可知，其ESR 大约在2 mΩ 左右。因此可以确定超级电容的仿真模型参数为C=450 F，ESR=2 mΩ。

3.1 稳态性能仿真验证

图6 为负载功率500 W 时母线电压、超级电容电压、燃料电池和超级电容输出电流的波形。燃料电池的输出上限功率为3 500 W，负载功率在燃料电池的输出能力范围内，同时为维持超级电容电压恒定，负载功率完全由燃料电池提供，此时母线电压稳定在102 V，超级电容电压稳在48 V。

图6 500 W 功率点稳态波形

图7 为负载功率满载6 000 W 时母线电压、超级电容电压、燃料电池和超级电容输出电流波形。负载功率超出燃料电池的输出功率上限，因此需由超级电容提供部分功率，此时超级电容电压环出现正饱和，因此燃料电池输出的功率达到上限3 500 W，剩余的2 500 W 功率由超级电容提供。此时母线电压稳定在102 V，超级电容电压下降。

图7 6 000 W 功率点稳态波形

3.2 动态性能仿真验证

图8 为2 500 W—5 000 W 负载阶跃仿真波形，此过程可以划分成6 个阶段：

（1）t0-t1：全部负载功率2 500 W 由燃料电池提供。

（2）t1-t2：t1时刻，负载功率需求突增至5 000 W，母线电压出现瞬时跌落，SC 控制器1 输出正的电流指令，超级电容输出功率，满足负载瞬时需求；而后，超级电容由于放电其电压开始跌落，最初的瞬时跌落是由于其等效串联电阻引起的，后来的电压下降斜率则是由其供电电流大小决定的；此后燃料电能FC 控制器1 输出的电流参考值开始变大，燃料电池开始增大输出功率。但是由于单向变换器电压环斜率限制器的存在，燃料电池只能以20 A/s 的斜率增加输出电流。最后，随着燃料电池输出电流的增加，母线电压上升，超级电容输出电流下降。

（3）t2-t3：负载功率5 000 W 超出燃料电池可提供功率上限，此时燃料电池输出3 500 W，超级电容输出1 500 W。

（4）t3-t4：t3时刻负载功率回落至2 500 W，母线电压出现瞬时过冲，超级电容SC 控制器1 负向饱和，超级电容开始充电。由于此时超级电容仍处于欠压状态，燃料电池FC 控制器1 正饱和，燃料电池继续以最大功率3 500 W 输出。在满足负载功率需求的同时以剩余的1 000 W 功率对超级电容充电。

图8 2 500 W—5 000 W 功率跳变动态波形

（5）t4-t5：t4时刻，超级电容充满电，而此时燃料电池仍以最大功率输出，超级电容过充，燃料电池FC 控制器1 负饱和，燃料电池输出电流以-20 A/s 的斜率下降。超级电容的充电电流开始逐渐下降。同时由于其等效串联电阻的存在，超级电容上的电压开始下降，最终恢复到稳态电压48 V。

图9 为500 W—3 000 W 负载阶跃仿真波形，其中在t1和t4时刻分别发生了负载的阶跃上升和下降。调节过程与2 500 W—5 000 W 负载阶跃类似。但其中有一点不同的是，由于3 000 W小于燃料电池的输出功率上限，负载由3 000 W跳变至500 W 时，超级电容并未处在放电状态，此时一旦双向变换器回馈能量，超级电容会马上进入过充状态，燃料电池供电电流也随之下降。由于燃料电池以-20 A/s 的斜率缓慢下降，对超级电容充电能量比较大，燃料电池FC 控制器1负向饱和，因此在t5时刻燃料电池输出电流达到了下限值，直至超级电容的过充现象消失，燃料电池供电电流回升至负载所需，重达500 W 功率点稳态工作。

图10 为3 600 W—6 100 W 负载阶跃仿真波形，其中在t1和t2时刻分别发生了负载的阶跃上升和下降，由于负载功率始终高于燃料电池的输出功率上限，燃料电池恒定输出3 500 W。当出现负载阶跃时，所有功率变化都有超级电容来承担。

表2 为负载阶跃时母线电压动态性能和图8—10 对应。从表中可以看出，母线电压的超调都保持在4 V 以内，恢复时间在10 ms 以内，说明燃料电池发电系统的有着比较良好的动态性能指标。

表2 负载功率阶跃母线性能

4 结论

图9 500 W—3 000 W 功率跳变动态波形

图10 3 600 W—6 100 W 功率跳变动态波形

考虑到超级电容具有较高的功率密度，本文选取超级电容作为燃料电池的辅助电源，并基于燃料电池、超级电容并联式供电架构，设计适用的能量管理策略和控制策略。其中超级电容功率变换器采用母线电压外环、超级电容电流内环的控制策略，具有优异的稳态、动态特性，并且控制独立，与燃料电池供电支路解耦。燃料电池功率变换器采用超级电压外环、燃料电池电流内环的控制策略，只需检测超级电容电压和燃料电池电流即可实现燃料电池和超级电容输出功率的同时控制。仿真结果证明本文设计的适用于并联式燃料电池供电系统的控制策略具有很好的稳态和动态特性。