一種適用于燃料電池-超級電容發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

陳 騫，周 競，陸 翌，裘 鵬，丁 超，倪曉軍

（1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州供電公司，杭州 310014）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，發(fā)電技術(shù)與發(fā)電能力直接決定了國家未來的發(fā)展。為了滿足環(huán)保和能源方面的需要，使用清潔能源的燃料電池發(fā)電技術(shù)顯示出了良好的發(fā)展前景，并被譽(yù)為繼傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，火，水，核電之后的第四代發(fā)電技術(shù)[1-4]。燃料電池可廣泛應(yīng)用于分布式發(fā)電，運(yùn)輸工具動力源，便攜式電源等場合[5-7]。

由于燃料電池是電化學(xué)反應(yīng)裝置，并且需要通過反應(yīng)氣體的流量來實(shí)現(xiàn)電壓的調(diào)整，而這些調(diào)節(jié)過程往往依賴于一些機(jī)械裝置的調(diào)節(jié)速度，存在較大的延時，所以燃料電池的動態(tài)性能較差，響應(yīng)速度較慢。除此之外，當(dāng)出現(xiàn)電流的瞬時變化時，燃料電池由于供給燃料不足，會出現(xiàn)其特有的饑餓現(xiàn)象[5-6]，可能造成燃料電池反應(yīng)膜的過熱和干燥，從而降低膜的導(dǎo)電性，增加歐姆極化損失，影響燃料電池的輸出性能，甚至?xí)s短燃料電池的壽命。因此需要選擇蓄電池、超級電容等作為輔助電源提供瞬時功率、配合燃料電池發(fā)電[8-9]。

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的架構(gòu)和對應(yīng)的控制策略是燃料電池使用的核心技術(shù)之一，國內(nèi)外專家在此方面已取得一定的研究成果。文獻(xiàn)[10]基于燃料電池直接并聯(lián)至母線的架構(gòu)提出了超級電容的三環(huán)控制策略，但該策略僅可實(shí)現(xiàn)超級電容電壓控制。文獻(xiàn)[11]采用級聯(lián)式架構(gòu)，提出超級電容變換器控制母線電壓，燃料電池變換器提供負(fù)載低頻電流的策略，該策略影響超級電容吸收負(fù)載能量。文獻(xiàn)[12]采用燃料電池、超級電容均通過變換器并聯(lián)至母線的架構(gòu)，提出了超級電容變換器控制直流母線電壓，燃料電池變換器控制超級電容電壓的策略，其中超級電容電壓控制環(huán)和直流母線電壓控制環(huán)相互耦合，控制參數(shù)設(shè)計困難。

總結(jié)前人的研究經(jīng)驗(yàn)可以看出，現(xiàn)在的燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，通常采用蓄電池或者超級電容作為輔助源。雖然蓄電池在比能量上有著相對優(yōu)勢，但是其功率和壽命明顯不如超級電容。并且以蓄電池為輔助源的供電系統(tǒng)，多采用直接并聯(lián)至母線的形式，這樣的系統(tǒng)通常不具備很好的母線調(diào)節(jié)能力?；谝陨显?，本文選取超級電容作為輔助電源，并采用燃料電池和超級電容分別通過功率調(diào)節(jié)裝置連接至直流母線的架構(gòu)，提出對應(yīng)的能量管理策略和控制策略以實(shí)現(xiàn)較優(yōu)的直流母線穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。

1 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量流動工況

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的四種能量流動工況如圖1 所示。

圖1（a）為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時的能量流動工況，此時全部負(fù)載功率由燃料電池單獨(dú)提供，充分利用主電源的能量，而輔助電源超級電容保持在充滿電狀態(tài)，可消納瞬態(tài)功率。

圖1 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能量流動工況

圖1（b）為負(fù)載功率需求瞬時上升或短時穩(wěn)定地超出燃料電池可提供的最大功率時的能量流動工況，燃料電池和超級電容同時為負(fù)載提供功率。由于負(fù)載功率突變時燃料電池的功率響應(yīng)受限，瞬時變化的功率由超級電容來消納，當(dāng)負(fù)載功率需求較大時，超級電容可提供部分穩(wěn)態(tài)功率。

如圖1（c）所示，當(dāng)超級電容能量不足并且負(fù)載功率小于燃料電池輸出功率時，燃料電池不僅提供負(fù)載功率需求，而且還對超級電容充電，為下一次的功率突變做準(zhǔn)備。

圖1（d）所示的工況主要發(fā)生在燃料電池啟動階段，由于燃料電池在啟動過程中不能帶負(fù)載，由超級電容單獨(dú)對負(fù)載供電，以確保燃料電池正常啟動。

2 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的控制策略

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)既要滿足母線負(fù)載穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)功率需求，又要使主電源燃料電池的能量得到充分利用。超級電容的充放電策略和系統(tǒng)控制策略是實(shí)現(xiàn)能量管理的關(guān)鍵。為滿足能量管理的要求，設(shè)計一種適用于并聯(lián)式燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的控制策略，如圖2 所示，主要包括燃料電池的單向功率變換器、超級電容的雙向功率變換器及其控制電路。

雙向變換器控制電路以穩(wěn)定母線電壓為目的，取母線電壓和電感電流（輸入電流）兩種反饋信號的雙環(huán)控制方式。其中電壓控制環(huán)是外環(huán)，電流控制環(huán)是內(nèi)環(huán)，分別實(shí)現(xiàn)電壓和電流的自動調(diào)節(jié)。電流反饋的引入可以改善雙向變換器的瞬態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，并且能夠限制雙向變換器中流過的最大電流，有利于延長超級電容和開關(guān)管的壽命。雙向變換器的控制量全部取至超級電容支路，因此控制過程相對獨(dú)立。

單向變換器控制電路以調(diào)節(jié)超級電容電壓為目的，同樣采用雙環(huán)控制。外環(huán)為超級電容電壓環(huán)，保證超級電容電壓在最優(yōu)工作區(qū)間內(nèi)。超級電容的電壓基準(zhǔn)VSC-ref分為上限值VSC-ref-H和下限值VSC-ref-L，當(dāng)VSC高于上限值VSC-ref-H時，通過降低燃料電池的輸出功率使得超級電容放電，VSC降至上限值以下；當(dāng)VSC低于下限值VSC-ref-L時，通過增加燃料電池的輸出功率使得超級電容電壓充電，VSC升至下限值以上；當(dāng)VSC處于上下限值之間時，燃料電池的輸出功率不調(diào)節(jié)。內(nèi)環(huán)為燃料電池電流環(huán)，可實(shí)現(xiàn)對燃料電池輸出電流的幅值以及變化斜率的控制，防止出現(xiàn)饑餓效應(yīng)，保護(hù)燃料電池。

3 仿真結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計的控制策略的可行性，使用Psim仿真軟件搭建氫氧燃料電池、超級電容及其功率變換器的仿真模型，從穩(wěn)態(tài)特性和動態(tài)特性兩方面分別進(jìn)行仿真驗(yàn)證。燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本參數(shù)見表1。

表1 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本參數(shù)

根據(jù)氫氧燃料電池的數(shù)學(xué)模型搭建其仿真模型，對應(yīng)的靜態(tài)和動態(tài)特性如圖3、圖4 所示。燃料電池電壓范圍30～60 V，功率3 500 W，選取燃料電池單體70 串20 并組合實(shí)現(xiàn)。如圖5 所示的是組合后的燃料電池仿真模型輸出的功率和電壓值。

超級電容的仿真模型采用電容與其等效串聯(lián)電阻串聯(lián)的形式實(shí)現(xiàn)。通常超級電容單體電壓值為2.5～2.7 V，選取20 個單體串聯(lián)可將電壓提升至48 V 左右。設(shè)定超級電容的工作電壓范圍在25～48 V。

圖2 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)控制策略示意

圖3 燃料電池仿真模型靜態(tài)輸出特性曲線

圖4 燃料電池仿真模型動態(tài)輸出特性曲線

圖5 燃料電池仿真模型輸出功率-電壓曲線

超級電容容值的選取可以根據(jù)如式（1）計算：

式中：P 表示的是超級電容功率；t 表示的是超級電容需要的供電時間；C 為所選取的容值；Vmax和Vmin分別表示超級電容的最高和最低工作電壓。將各參數(shù)的數(shù)值帶入式（1）可得到C≥357.36 F。選取單體容值為3 000 F 的超級電容，以20 串聯(lián)3 組并聯(lián)的形式可達(dá)到需求。容值C=450 F。查閱超級電容廠家的數(shù)據(jù)表可知，其ESR 大約在2 mΩ 左右。因此可以確定超級電容的仿真模型參數(shù)為C=450 F，ESR=2 mΩ。

3.1 穩(wěn)態(tài)性能仿真驗(yàn)證

圖6 為負(fù)載功率500 W 時母線電壓、超級電容電壓、燃料電池和超級電容輸出電流的波形。燃料電池的輸出上限功率為3 500 W，負(fù)載功率在燃料電池的輸出能力范圍內(nèi)，同時為維持超級電容電壓恒定，負(fù)載功率完全由燃料電池提供，此時母線電壓穩(wěn)定在102 V，超級電容電壓穩(wěn)在48 V。

圖6 500 W 功率點(diǎn)穩(wěn)態(tài)波形

圖7 為負(fù)載功率滿載6 000 W 時母線電壓、超級電容電壓、燃料電池和超級電容輸出電流波形。負(fù)載功率超出燃料電池的輸出功率上限，因此需由超級電容提供部分功率，此時超級電容電壓環(huán)出現(xiàn)正飽和，因此燃料電池輸出的功率達(dá)到上限3 500 W，剩余的2 500 W 功率由超級電容提供。此時母線電壓穩(wěn)定在102 V，超級電容電壓下降。

圖7 6 000 W 功率點(diǎn)穩(wěn)態(tài)波形

3.2 動態(tài)性能仿真驗(yàn)證

圖8 為2 500 W—5 000 W 負(fù)載階躍仿真波形，此過程可以劃分成6 個階段：

（1）t0-t1：全部負(fù)載功率2 500 W 由燃料電池提供。

（2）t1-t2：t1時刻，負(fù)載功率需求突增至5 000 W，母線電壓出現(xiàn)瞬時跌落，SC 控制器1 輸出正的電流指令，超級電容輸出功率，滿足負(fù)載瞬時需求；而后，超級電容由于放電其電壓開始跌落，最初的瞬時跌落是由于其等效串聯(lián)電阻引起的，后來的電壓下降斜率則是由其供電電流大小決定的；此后燃料電能FC 控制器1 輸出的電流參考值開始變大，燃料電池開始增大輸出功率。但是由于單向變換器電壓環(huán)斜率限制器的存在，燃料電池只能以20 A/s 的斜率增加輸出電流。最后，隨著燃料電池輸出電流的增加，母線電壓上升，超級電容輸出電流下降。

（3）t2-t3：負(fù)載功率5 000 W 超出燃料電池可提供功率上限，此時燃料電池輸出3 500 W，超級電容輸出1 500 W。

（4）t3-t4：t3時刻負(fù)載功率回落至2 500 W，母線電壓出現(xiàn)瞬時過沖，超級電容SC 控制器1 負(fù)向飽和，超級電容開始充電。由于此時超級電容仍處于欠壓狀態(tài)，燃料電池FC 控制器1 正飽和，燃料電池繼續(xù)以最大功率3 500 W 輸出。在滿足負(fù)載功率需求的同時以剩余的1 000 W 功率對超級電容充電。

圖8 2 500 W—5 000 W 功率跳變動態(tài)波形

（5）t4-t5：t4時刻，超級電容充滿電，而此時燃料電池仍以最大功率輸出，超級電容過充，燃料電池FC 控制器1 負(fù)飽和，燃料電池輸出電流以-20 A/s 的斜率下降。超級電容的充電電流開始逐漸下降。同時由于其等效串聯(lián)電阻的存在，超級電容上的電壓開始下降，最終恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)電壓48 V。

圖9 為500 W—3 000 W 負(fù)載階躍仿真波形，其中在t1和t4時刻分別發(fā)生了負(fù)載的階躍上升和下降。調(diào)節(jié)過程與2 500 W—5 000 W 負(fù)載階躍類似。但其中有一點(diǎn)不同的是，由于3 000 W小于燃料電池的輸出功率上限，負(fù)載由3 000 W跳變至500 W 時，超級電容并未處在放電狀態(tài)，此時一旦雙向變換器回饋能量，超級電容會馬上進(jìn)入過充狀態(tài)，燃料電池供電電流也隨之下降。由于燃料電池以-20 A/s 的斜率緩慢下降，對超級電容充電能量比較大，燃料電池FC 控制器1負(fù)向飽和，因此在t5時刻燃料電池輸出電流達(dá)到了下限值，直至超級電容的過充現(xiàn)象消失，燃料電池供電電流回升至負(fù)載所需，重達(dá)500 W 功率點(diǎn)穩(wěn)態(tài)工作。

圖10 為3 600 W—6 100 W 負(fù)載階躍仿真波形，其中在t1和t2時刻分別發(fā)生了負(fù)載的階躍上升和下降，由于負(fù)載功率始終高于燃料電池的輸出功率上限，燃料電池恒定輸出3 500 W。當(dāng)出現(xiàn)負(fù)載階躍時，所有功率變化都有超級電容來承擔(dān)。

表2 為負(fù)載階躍時母線電壓動態(tài)性能和圖8—10 對應(yīng)。從表中可以看出，母線電壓的超調(diào)都保持在4 V 以內(nèi)，恢復(fù)時間在10 ms 以內(nèi)，說明燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的有著比較良好的動態(tài)性能指標(biāo)。

表2 負(fù)載功率階躍母線性能

4 結(jié)論

圖9 500 W—3 000 W 功率跳變動態(tài)波形

圖10 3 600 W—6 100 W 功率跳變動態(tài)波形

考慮到超級電容具有較高的功率密度，本文選取超級電容作為燃料電池的輔助電源，并基于燃料電池、超級電容并聯(lián)式供電架構(gòu)，設(shè)計適用的能量管理策略和控制策略。其中超級電容功率變換器采用母線電壓外環(huán)、超級電容電流內(nèi)環(huán)的控制策略，具有優(yōu)異的穩(wěn)態(tài)、動態(tài)特性，并且控制獨(dú)立，與燃料電池供電支路解耦。燃料電池功率變換器采用超級電壓外環(huán)、燃料電池電流內(nèi)環(huán)的控制策略，只需檢測超級電容電壓和燃料電池電流即可實(shí)現(xiàn)燃料電池和超級電容輸出功率的同時控制。仿真結(jié)果證明本文設(shè)計的適用于并聯(lián)式燃料電池供電系統(tǒng)的控制策略具有很好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性。