光-氢转换系统电力电子模块研究

摘要：研究了用于氢电解槽的数字控制电力电子模块。提出以光伏作为主要能源，以分布式发电的方式进行氢气制备的系统架构，并对系统负载电解槽进行了小信号建模。在此基础上设计了双相降压数字电力电子模块，将光伏输出进行电平与功率的匹配供给氢电解槽使用。系统采用dsPIC33FJ64GS606数字信号控制器实现系统闭环电流模式控制和光伏最大功率追踪。实验结果表明系统达到了预期的效果。
关键词：电力电子模块；光-氢转换；分布式系统；数字控制

1 引言
随着以氢气为能源的质子交换膜燃料电池逐渐应用于静止发电装置与车载动力系统，氢能优势逐渐显现。最近的研究也表明，利用高分子聚合物可有效储氢，有望解决未来氢能源的存储与运输问题。而在传统意义上，氢气制各被认为是一种高能耗过程。
太阳能取之不尽，用之不竭，若能高效利用太阳能分解水来制备氢气，则可将光能转换为清洁的化学能，成为光．氢储能过程。此处提出基于分布式概念的制氢系统架构，对其中关键的光伏模块化供电技术进行深入探讨，包括氢电解槽小信号建模，双相降压变换器的建模，底层数字控制系统设计，及最大功率追踪实现。实验结果表明，单电力电子模块的性能达到了预期效果。

2 制氢系统架构
传统制氢工业普遍采用晶闸管整流方法获得高压直流电供给电解槽；而电解槽基本单元的电压较低(约2 V)，传统解决方案下必须进行多单元串联设计。由于制造过程不能保证每个单元的一致性，串联通路中任何一单元的工作状态直接会影响到整个系统性能。光伏作为仅需一次投资的免费能源，普遍以低压电池板形式存在，可与低压电解槽进行电平匹配。研究中利用太阳光伏作为输入能源，提出直流供电网络的太阳能制氢系统架构，如图1所示。

分布式太阳能制氢系统主要包括3部分：输入电源(光伏电池与储能装置)、电力电子模块(双相降压变换器)和负载(电解槽)。系统采用多电力电子模块供电方式：连接光伏的模块进行光伏最大功率追踪，以电流源形式并入直流供电网络；连接储能装置的模块以电压源形式并入直流供电网络，作为保持系统功率平衡的能量缓冲单元(实验环节中用直流电压源代替)。分布式制氢系统设计优点在于分布式模块化供电，相对于光伏串联的高压系统可靠性大大增加；并且大大降低了电解槽设计的复杂度。

3 碱性电解槽建模
电解水的方式有多种，常用方法有碱性电解槽，质子交换膜电解槽和固体氧化物电解槽。碱性电解槽制造成本与工艺要求较低，运行温度接近室温，故研究中选择碱性电解槽作为电解水设备。
常用的电解槽数学模型如下：
U=Urev+rI／A+slog(tI／A+1) (1)
式中：U为电解槽端直流电压，Urev为其反电动势；r为与电解质相关的欧姆电阻参数；A为电极的面积；s，t为相关的过电压系数。
研究表明，温度对电解槽的端口特性也有较大影响。为简化电解槽模型，根据电解槽生产厂家数据，在推荐温度(40℃)下对电解槽进行了静态特性测试，在电解槽任意静态工作点可定义等效电阻Req=△U／△I。由于Req的计算是基于任意静态工作点，故Req为电解槽小信号模型。在电解槽额定工作点附近取多点进行计算，并做平均。算得电解槽在额定电压电流下等效串联电阻为0．14 Ω。
[p]
4 电力电子模块拓扑选择与建模
4．1 电力电子模块拓扑
光伏电池输出低压直流电，可与相应电压等级的电解槽匹配制备氢气；为在不同光照情况下保证光伏利用率，需使用一级DC／DC变换器跟踪不同光照下的最大功率。考虑到电解槽对供电电流纹波耐受能力及系统的功率密度，设计中采用图2所示的双相降压变换器向电解槽供电。

因两路电感电流相差180°，可得更高频、更小的输出电流纹波；相对于单相降压变换拓扑而言，在相同输出电压纹波情况下，双向变换器可选取容值偏小的固态电容以增加变换器使用寿命。
4．2 变换器建模
由于双相降压变换器的每相元件参数均相同，现对其中一相进行分析。利用等效电源法，可将二极管端电压uVD用开关函数d(d=1或0)与电源电压Us的乘积来等效，即uVD=dUs，分别对Us，d引入小信号扰动可得图3小信号s域等效电路。

若要将光伏功率以电流源形式并入直流网络，需要控制双相变换器的输出电流，则系统控制对象为占空比对电感电流的传递函数，由图3可求出控制对象G(s)公式为：


5 数字控制系统设计
单路本地电流控制系统框图如图4所示，其中，r(s)为给定参考信号，r(s)为反馈信号，e(s)为误差信号，C(s)为控制器传递函数，G(s)为控制对输出电流的传递函数，H(s)为传感器反馈网络传递函数。对于第2路电流，采用相同控制器结构与参考值，形成一个并行双路闭环系统。

根据稳态运行时的参数及电路参数，在控制对象中，Us=28 V，Req=0．14 Ω，L=40 μH，C=20 μF。电流反馈网络采用开环霍尔传感器ACS714加低通滤波器，可求得反馈网络传递函数为：
H(s)=K／(R1C1s+1) (3)
式中：K=0．033；R1=100 Ω；C1=0．1μF。
控制器采用单零点PI算法，则：
C(s)=(Kps+Ki)／s (4)
由上述分析可得闭环传递函数为：
φ(s)=C(s)G(s)H(s) (5)[p]
用Matlab可得在PI调节器补偿后开环传递函数频率响应曲线，如图5所示。可见，当Kp=3，Ki=3 000时，交越频率为10 kHz，为开关频率的1／5，相位裕量为59．9°，能满足系统稳态与动态需求。

电力电子模块采用dsPIC33FJ64GS606型数字信号控制器来进行底层电流控制及本地功率管理(光伏功率追踪)。器件外设为带有丰富功能的PWM外设，利用边沿对齐互补的PWM模式，通过各路PWM的非独立式移相寄存器PHASE来设定各路PWM的相移，生成两路50 kHz的PWM相位相差180°；用控制器A／D外设，以10 kHz采样率10位的精度进行两路电流采样并反馈回控制回路；将控制器以零阶保持的方式进行离散化，可得到用于数字控制器实现的形式。

6 实验结果与分析
单模块供电的氢电解系统由于采用多相高频化，主电路输出与输入端仅采用了低容值固态陶瓷电容进行滤波。实验电解槽额定输入13 V／30 A，单块光伏电池板在当前测试光照下的开路电压为21 V，短路电流为6 A。
图6a，b示出给定值下系统的稳态运行波形，图6a为相对相位为180°的双路PWM和双路电流波形；图6b为不同时间尺度下的稳态PWM与双
路电流波形，实验波形表明在稳态闭环运行下，可保证PWM相对相位与电流稳态值跟踪。

研究中对光伏的最大功率追踪是通过调节负载电流实现的，为验证电力电子模块调节输出电流的能力，将变化的电流给定值定时赋给两个电流控制环，图6c示出两个通道的输出电流I1和I2随给定值变化的实测波形，表明电流控制回路可较好地跟踪电流给定。图6d为单模块带两块光伏板并联时最大功率追踪的稳态波形，即电解槽端电压U1、电流I1、光伏端电压Us和电流Is波形；通过光照计的校准与降压变换器的效率测量，可知稳态波形处于电池板的最大功率点处。

7 结论
此处提出了基于分布式供电的制氢系统架构，并对其中关键的光伏模块化供电技术进行深入探讨，包括氢电解槽小信号建模，双相降压变换器建模，底层数字控制系统设计，以及光伏最大功率追踪的实现。实验结果表明，单电力电子模块的性能达到了预期效果。未来工作将专注于使用多智能体技术协调各电力电子模块工作。