魏立明，呂雪瑩

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固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型建立及逆變器仿真研究

魏立明，呂雪瑩

(吉林建筑大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院，吉林 長春130118)

以固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，以釋放變換器上電感能量，減少電容充電時(shí)間為目的，提出了在DC/DC變換器中增加一個(gè)反激式繞組。該反激式繞組的輸出端、接地端分別與DC/DC變換器的輸出端、輸出接地端相連，構(gòu)成輸出回路，以釋放輸入電感啟動時(shí)多余能量，保證輸出直流母線電壓的穩(wěn)定性。逆變器輸出電壓控制采用模糊PID控制策略，可在固體氧化物燃料電池輸出電壓不穩(wěn)定時(shí)，通過監(jiān)測該系統(tǒng)的輸出電壓和給定電壓差值，在線調(diào)整P、d、i控制輸出量。該控制策略與傳統(tǒng)PID控制策略進(jìn)行了比較，比較結(jié)果證明其性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制策略。采用Matlab軟件搭建系統(tǒng)模型，固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的仿真研究驗(yàn)證了以上的理論分析。

燃料電池；隔離型全橋變換器；DC/AC逆變器；濾波器；Matlab仿真

0 引言

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)是友好的、無污染的、高效率的發(fā)電技術(shù)之一，其零污染的優(yōu)點(diǎn)使其擁有廣泛的應(yīng)用。其中SOFC的轉(zhuǎn)換效率相比其他的燃料電池高，使用周期長，提高了人們對SOFC研究的關(guān)注度。文獻(xiàn)[1]研究SOFC的模型、電化學(xué)特性，提出了平板狀陽極支撐SOFC。文獻(xiàn)[2]采用BOOST升壓變換器，已經(jīng)將SOFC的低壓電升為450 V直流電，但是其剛開始充電時(shí)，電壓升壓不穩(wěn)定，振蕩嚴(yán)重。文獻(xiàn)[3]只針對DC/AC逆變部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對DC/DC變換部分的設(shè)計(jì)較粗糙，不能準(zhǔn)確地反映出SOFC的響應(yīng)特征。針對以上提出的問題再結(jié)合SOFC發(fā)電系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，本文提出了包括SOFC模塊、改進(jìn)型隔離升壓變換器、單相全橋逆變器、LC濾波器的系統(tǒng)模型。逆變系統(tǒng)采用模糊PID控制技術(shù)，改善了輸出電壓的穩(wěn)定性，減小了超調(diào)量。DC/DC變換器增加一個(gè)反擊式繞組，負(fù)載由1 000 W突變?yōu)?00 W時(shí)系統(tǒng)也可以正常運(yùn)行。由仿真結(jié)果分析了SOFC正常工作響應(yīng)特性，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)要求符合理論知識。

1 固體氧化物燃料電池模型

1.1 固體氧化物燃料電池建模

燃料電池的制取是燃料和氧氣的結(jié)合，由化學(xué)能直接生成電能，在裝置的陽極輸入燃料，陰極輸入氧化物(氧化物常為空氣或者氧氣)，陰極的氧氣由于其自身的催化作用，使O2得到2個(gè)電子成為O-2，然后O-2通過電解質(zhì)到達(dá)陽極與燃料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，最終失去的電子又回到了陰極。此外，其生成的氧化產(chǎn)物不是構(gòu)成燃料電池的一部分，燃料和氧化物可以不間斷的供應(yīng)產(chǎn)生電能[4]，圖1 是單體固體氧化物的制取原理。

圖1 單體燃料電池制取原理

與燃料電池相比，傳統(tǒng)的可充電式電池由電極的化學(xué)能變成電能，當(dāng)電能枯竭時(shí)它需要一個(gè)從電力系統(tǒng)中再生化學(xué)能的過程。然而，燃料電池是從外界供給的燃料中獲取化學(xué)能，燃料電池有很高轉(zhuǎn)換效率，轉(zhuǎn)換效率為50%~60%，電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱量，當(dāng)燃料電池和熱能與電能(熱電聯(lián)供)聯(lián)合時(shí)會產(chǎn)生更高的轉(zhuǎn)換效率，可高達(dá)85%。公式(1)是燃料電池與熱電聯(lián)產(chǎn)聯(lián)合產(chǎn)生的效率。

式中：為獲得的熱能；為燃料電池產(chǎn)生的電能；為氫氣流量；為氫氣低加熱功率。

SOFC工作溫度由原來的800~1 000℃下降到600℃以下，大大減少設(shè)備損壞程度，提高SOFC的穩(wěn)定性。燃燒物質(zhì)來源于天然氣、煤氣、沼氣，電解質(zhì)為固體陶瓷。假定氣體是理想的，工作在溫度均勻恒溫的條件下[1]。

由理想氣體狀態(tài)方程可知?dú)錃?、氧氣、水蒸氣的偏微分方程?/p>

式中：an為燃料電池陽極體積；ca為燃料電池陰極體積；為通用氣體常數(shù)；為工作溫度；,,為,,的輸入摩爾流量；,,為,,的輸出摩爾流量；,為,氣體反應(yīng)消耗的摩爾流量；為生成的摩爾流量，單位()。

根據(jù)燃料電池基本電化學(xué)的反應(yīng)關(guān)系可知：氫氣、氧氣和水蒸氣氣體反應(yīng)消耗的摩爾流量如式(4)。

氫氣、氧氣、水蒸氣的輸出流量為

將式(3)、式(4)代入式(2)中，進(jìn)行拉普拉斯變換得到式(6)。

(6)

式中：為電堆電流；為電堆的歐姆極化損失電阻。

1.2 固體氧化物燃料電池仿真分析

如圖2所示，從零開始電壓迅速上升，約15 s電壓增加接近到274 V，達(dá)到電壓的峰值，15~200 s電壓開始迅速下降，200 s后電壓隨時(shí)間的增加而逐漸減小，此時(shí)電壓下降的幅度已經(jīng)很小，370 s下降到253.2 V達(dá)到穩(wěn)定值。

圖2 固體氧化物燃料電池輸出電壓

當(dāng)=100 s時(shí)，負(fù)荷電流從200 A階躍到400 A，SOFC的電壓瞬態(tài)響應(yīng)，功率瞬態(tài)響應(yīng)，氫氣、氧氣和水消耗量的變化曲線如圖3所示。當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，氫氣、氧氣和水的消耗量接近20 s達(dá)到穩(wěn)定值，而電壓和功率20 s后變化的幅度已經(jīng)很小了，250 s時(shí)即可達(dá)到穩(wěn)定值。

2 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型

固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型如圖4所示，由固體氧化物燃料電池模塊、隔離型全橋升壓變換器、單相全橋逆變器、濾波器組成。燃料電池電堆輸出低壓直流電，前級逆變部分采用隔離型全橋升壓變換電路，提高直流母線電壓供給后級逆變器[5]，后級逆變器接收到穩(wěn)定的高壓直流電后經(jīng)濾波器濾除高次諧波的干擾。

圖4 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 DC/DC變換器

固體氧化物燃料電池的負(fù)荷功率變化時(shí)，電壓波動范圍在28~43 V之間，隔離型升壓全橋變換器目的就是將燃料電池電堆輸出的低壓電升為滿足DC/AC逆變需要的直流母線電壓[6-7]，常規(guī)單級逆變結(jié)構(gòu)無法滿足固體氧化物燃料電池的逆變要求，固體氧化物燃料電池需要兩級逆變，由于固體氧化物燃料電池自身是一個(gè)熱電聯(lián)合系統(tǒng)，燃料電池電壓不穩(wěn)定，前級變換結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須接受大范圍電壓、電流，限流和響應(yīng)速度快的功能。

本文在隔離型升壓變換器基本電路的基礎(chǔ)上在輸入電感上增加了一個(gè)反激式繞組，目的是將電感無法釋放的能量通過其得到釋放，傳遞給負(fù)載，延長設(shè)備的壽命時(shí)間，并且啟動速度快，充電時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)快速升壓的功能[8-9]。輸出的直流電壓偏差信號經(jīng)PI環(huán)節(jié)再由PWM進(jìn)行調(diào)制，得到占空比控制功率開關(guān)工作，電壓反饋采用傳統(tǒng)的PI滯后補(bǔ)償控制[10-11]。圖5為改進(jìn)型全橋升壓變換器。軟啟動方案為當(dāng)占空比0<<0.5，DC/DC變換器處于Buck工作模式。此時(shí)反激式繞組工作，在2on階段，Q1, Q4或者Q2, Q3導(dǎo)通，能量經(jīng)過變壓器T傳遞給負(fù)載，在4off階段，Q1, Q2, Q3, Q4同時(shí)關(guān)斷，電感上未能得到釋放的能量通過反激式繞組輸出至輸出端。占空比為0.5<<1，處于Boost工作模式，此時(shí)，反激式繞組不工作，在4on階段，Q1, Q2, Q3, Q4狀態(tài)相同時(shí)，橋臂短路，電感充電，在2off階段，Q1, Q4或者Q2, Q3導(dǎo)通，電源、電感經(jīng)變壓器T為負(fù)載供電[12]。圖6(a)、(b)分別為Buck模式時(shí)序圖和Boost模式時(shí)序圖。

圖5 改進(jìn)型DC/DC變換器

2.2 DC/AC逆變器

后級逆變器采用單相全橋逆變器是將前級變換器輸出的高壓電逆變?yōu)闈M足負(fù)載正常使用的交流電[13-14]，本文研究中，在兩級變換的電路之間額外增加一級濾波電路，能減少電源的負(fù)載需求容量，提高發(fā)電效率[15]。

考慮到固體氧化物燃料電池輸出電壓受溫度、壓力、流量的影響大，提高固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)為用戶供電的穩(wěn)定性，單相全橋逆變器采用模糊PID控制技術(shù)。開環(huán)傳遞函數(shù)，式中：0為常數(shù)；P為比例系數(shù)；i為積分時(shí)間常數(shù)，采用Ziegler-Nichols整定公式計(jì)算出p,d,i，模糊PID控制技術(shù)通過監(jiān)測固體氧化物燃料電池系統(tǒng)輸出電壓和給定電壓差值，在線調(diào)整p,d,i，進(jìn)而得到輸出控制量。圖7、圖8分別為傳統(tǒng)PID控制技術(shù)階躍響應(yīng)圖和模糊PID控制技術(shù)階躍仿真圖，從圖7中可以看出，0~15 s之間曲線上升平穩(wěn)，16 s后即達(dá)到平穩(wěn)狀態(tài)，與傳統(tǒng)PID控制技術(shù)相比，模糊PID控制技術(shù)超調(diào)量小，控制過程無震蕩發(fā)生，響應(yīng)速度快、并且具有很好的魯棒性。固體氧化物燃料電池單相全橋逆變器電路的輸出電壓波形同時(shí)含有高次諧波和低次諧波[16-17]，為了保證輸出波形的穩(wěn)定性，本文中增加濾波器[18]，圖9為濾波器的結(jié)構(gòu)圖。圖中：Lf1, Lf2和Lf3為普通的電感，CMR-Lf為共模抑制電感，Cf3和Cf4的作用為對輸出電壓差模干擾的控制。

圖7 傳統(tǒng)PID控制圖

圖8 模糊PID控制圖

圖9 濾波器結(jié)構(gòu)圖

3 仿真結(jié)果分析

3.1 仿真結(jié)果分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方法，基于Matlab軟件對固體氧化物燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)模型搭建。圖10為逆變器仿真模型。

圖11、圖12分別為Boost升壓變換器和改進(jìn)隔離型升壓變換器的直流母線電壓的仿真圖。圖11為SOFC發(fā)電系統(tǒng)升壓變換器從0~1.5 s升壓的過程，從零開始電壓快速上升，0.5 s達(dá)到理想值，0.75~0.82 s時(shí)負(fù)載發(fā)生突變功率從1 000 W下降到500 W，此時(shí)，電壓迅速恢復(fù)到理想狀態(tài)，0.83 s后達(dá)到穩(wěn)定值，給后級逆變器提供穩(wěn)定的直流母線電壓，輸出的電壓波形圖平滑。相比Boost變換器，其升壓震動小，充電時(shí)間快。由圖13中可以得出，單相全橋逆變器將DC/ DC升壓變換器輸出的高壓直流電逆變?yōu)檎医涣麟姡敵稣?20 V/50 Hz的電壓波形穩(wěn)定，當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變時(shí)DC/AC逆變器正常運(yùn)行。因此，通過Matlab/Simulink軟件仿真結(jié)果可知，以上對SOFC發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計(jì)符合要求。

圖10 逆變器仿真模型

圖11 Boost變換電路的直流母線電壓

圖12 隔離型全橋逆變電路的直流母線電壓

圖13 全橋逆變電路輸出電壓

4 結(jié)論

本文研究了當(dāng)負(fù)荷電流從200 A階躍到400 A時(shí)，電壓、功率、氫氣氧氣和水消耗量的特性。DC/DC變換器采用改進(jìn)型全橋變換器，解決了升壓過程中電壓振蕩嚴(yán)重、快速充電的問題，DC/DC軟啟動方案輸出電壓上升到額定值時(shí)曲線平滑，保證DC/AC逆變器提供穩(wěn)定的交流電供負(fù)載正常工作。相較于傳統(tǒng)PID控制，模糊PID控制策略更加適用于參數(shù)變化大的對象，DC/AC逆變器采用模糊PID控制方式，保障固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)單獨(dú)為負(fù)載供電時(shí)用電的穩(wěn)定性。由上述仿真可知，本文中固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型充分反映出當(dāng)固體氧化物燃料電池發(fā)電過程中發(fā)生突變時(shí)可以穩(wěn)定運(yùn)行，控制策略良好。

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(編輯 魏小麗)

Solid oxide fuel cell power generation system model and study on inverter simulation

WEI Liming, Lü Xueying

(School of Electrical and Computer, Jilin Jianzhu University, Changchun 130118, China)

Based on the study of the solid oxide fuel cell power generation system, and to release the energy of converter inductance and reduce the charging time of capacitance for the purpose, adding a flyback winding in DC / DC converter is proposed. Its output terminal and ground terminal are connected with the DC / DC converter output terminal and the output ground terminal separately, forming the output circuit and releasing excess energy when the input inductor starts, to ensure the stability of the output voltage of the DC/DC bus. Fuzzy PID control strategy is used in inverter output voltage control, by monitoring the system output voltage and the given voltage based on-line adjustP,d,icontrol output, when solid oxide fuel cell output voltage is instable. Comparative results show that its performance is superior to the traditional PID control strategy. The simulation of the solid oxide fuel cell power generation system has verified the above theoretical analysis by using Matlab software to build the model system.

fuel cell; isolated boost full bridge converter; DC/AC inverter; filter; Matlab simulation

10.7667/PSPC152160

2015-12-11；

2016-05-17

魏立明(1974-)，男，博士，教授，碩士生導(dǎo)師，從事電氣工程及其自動化方面的教學(xué)與科研工作；E-mail: weiliming_1@sina.com 呂雪瑩(1989-)，女，碩士研究生，從事燃料電池發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究。E-mail: 370844404@qq.com