愛(ài)華網(wǎng)??? 隨著能源緊缺和環(huán)境污染現(xiàn)狀越來(lái)越嚴(yán)重，開(kāi)發(fā)潔凈的可再生資源越來(lái)越受到重視。相比與傳統(tǒng)的化石能源，氫能量密度大、熱值高，能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中無(wú)污染，是理想的未來(lái)能源載體。隨著以氫氣為能源的質(zhì)子交換膜燃料電池逐漸應(yīng)用于靜止發(fā)電裝置與車載動(dòng)力系統(tǒng)，氫能的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)[1- 2]。氫是宇宙中最豐富的元素，在地球上主要以碳?xì)浠衔锖退男问酱嬖?；制氫方式主要有碳?xì)浠衔镏卣碗娊馑畠煞N方式，現(xiàn)今制氫企業(yè)主要采用碳?xì)浠衔镏卣姆绞街茪洌虼嗽趥鹘y(tǒng)意義上，氫氣制備被認(rèn)為是一種高能耗過(guò)程。
太陽(yáng)能取之不盡，用之不竭，若能高效利用太陽(yáng)能分解水來(lái)制備氫氣，則可以將光能轉(zhuǎn)換為清潔的化學(xué)能，成為光-氫儲(chǔ)能過(guò)程[3]。 本論文提出了基于分布式供電的制氫系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)其中關(guān)鍵的光伏模塊化供電技術(shù)做深入的探討，包括雙相降壓變換器的建模，底層數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及最大功率追蹤的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單個(gè)電力變換模塊的性能達(dá)到了預(yù)期的效果。 1 制氫系統(tǒng)架構(gòu) 傳統(tǒng)電解水制氫工業(yè)普遍采用可控硅整流的方法獲得高壓直流電供給電解槽；而電解槽基本單元的電壓較低（2V左右），傳統(tǒng)解決方案下必須進(jìn)行多單元串聯(lián)設(shè)計(jì)。由于制造過(guò)程不能保證每個(gè)單元的一致性，串聯(lián)通路中任何一單元工作狀態(tài)直接會(huì)影響到整個(gè)電解槽系統(tǒng)的性能。光伏作為僅需一次投資的免費(fèi)能源，普遍以低壓電池板的形式存在，可以與低壓電解槽進(jìn)行電平匹配。本研究中利用太陽(yáng)光伏作為輸入能源，提出了直流供電網(wǎng)絡(luò)的太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)架構(gòu)，如圖1所示。 分布式太陽(yáng)能制氫系統(tǒng)主要包括三個(gè)部分：輸入電源（光伏電池與儲(chǔ)能裝置）、電力變換器模塊（雙相降壓變換器）和負(fù)載（電解槽）。系統(tǒng)采用多電力變換器模塊供電方式：連接光伏的模塊進(jìn)行光伏最大功率追蹤，以電流源形式并入直流供電網(wǎng)絡(luò)；連接儲(chǔ)能裝置的模塊以電壓源形式并入直流供電網(wǎng)絡(luò)，作為保持系統(tǒng)功率平衡的能量緩沖單元（在本研究的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中用直流電壓源代替）。分布式制氫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于分布式模塊化供電，相對(duì)于光伏串聯(lián)的高壓系統(tǒng)可靠性大大增加；并且大大降低電解槽設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。 圖1 分布式制氫系統(tǒng)架構(gòu) 2.電力變換器模塊拓?fù)溥x擇與建模 電力變換器模塊拓?fù)洹９夥姵氐妮敵鍪堑蛪褐绷麟?，可以與相應(yīng)電壓等級(jí)的電解槽匹配制備氫氣；為了在不同光照情況下保證光伏的利用率，需要使用一級(jí)dc/dc變換器跟蹤不同光照下的最大功率?？紤]到電解槽對(duì)供電電流紋波耐受能力以及系統(tǒng)的功率密度，本設(shè)計(jì)中采用如圖2所示的雙向降壓變換器向電解槽供電。由于兩路電感電流相差180度，可以得到更高頻、更小的輸出電流紋波；相對(duì)于單相降壓變換拓?fù)涠?，在相同輸出電壓紋波的情況下，雙相變換器可以選取容值偏小的固態(tài)電容以增加變換器的使用壽命。 圖2 雙相降壓變換器拓?fù)?p> 變換器建模。由于雙相降壓變換器的兩相元件參數(shù)均相同，現(xiàn)對(duì)其中一相進(jìn)行分析。利用等效電源法，可以將二極管的端電壓vD用開(kāi)關(guān)函數(shù)d（d=1或0）與電源電壓vS的乘積來(lái)等效，如公式（1）所示 ?。?） 分別對(duì)vS和d引入小信號(hào)擾動(dòng)可得圖3中的小信號(hào)s-域等效電路 圖3 Buck變換器小信號(hào)等效電路 Req為電解槽的小信號(hào)模型，其獲取方法為：在電解槽額定工作點(diǎn)附近取多點(diǎn)進(jìn)行dv/di進(jìn)行計(jì)算，并做平均，求得基于任意靜態(tài)工作點(diǎn)的等效電阻。算得電解槽在額定電壓電流下的等效串聯(lián)電阻Req為0.14歐姆。 若要將光伏功率以電流源形式并入直流網(wǎng)絡(luò)，需要控制雙相變換器的輸出電流，所以系統(tǒng)的控制對(duì)象為占空比對(duì)電感電流的傳遞函數(shù)，由圖3不難求出控制對(duì)象G(s)如公式（2）所示。 ?。?） 3.數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單路本地電流控制系統(tǒng)框圖如圖4所示，其中，R(s)是給定參考信號(hào)，Y(s) 是反饋信號(hào)，E(s) 是誤差信號(hào)，C(s)是控制器傳遞函數(shù)，G(s)是控制對(duì)輸出電流的傳遞函數(shù)，H(s)是傳感器反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)。對(duì)于第二路電流，采用相同的控制器結(jié)構(gòu)與參考值，形成一個(gè)并行雙路閉環(huán)的系統(tǒng)。 圖4 閉環(huán)控制框圖 根據(jù)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的參數(shù)及電路參數(shù)，在控制對(duì)象中，VS=28V，Req=0.14Ω，L=40uH，C=20uF。 電流反饋網(wǎng)絡(luò)采用開(kāi)環(huán)霍爾傳感器ACS714加低通濾波器，可以求得反饋網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： ?。?） 其中K=0.033，R1=100Ω，C1=0.1uF。 控制器采用單零點(diǎn)的PI算法，所以：
（4） 由以上可得閉環(huán)傳遞函數(shù)為： （5） 用MATLAB可得閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)曲線如圖5所示。由圖可以看出，當(dāng)Kp=3，Ki=3000，交越頻率為10kHz，為開(kāi)關(guān)頻率的1/5，相位裕量為59.9o，能滿足系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)需求。 圖5 閉環(huán)傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)曲線 電力電子模塊采用數(shù)字信號(hào)控制器dsPIC33FJ64GS606來(lái)進(jìn)行底層的電流控制以及本地功率管理（光伏功率追蹤）。器件外設(shè)帶有豐富功能的PWM外設(shè)，利用邊沿對(duì)齊互補(bǔ)的PWM模式，通過(guò)各路PWM的非獨(dú)立式移向寄存器PHASE來(lái)設(shè)定各路PWM的相移，生成兩路50kHz的PWM相位相差180°?？刂破鞯腁D外設(shè)以10kHz的采樣率10位的精度進(jìn)行兩路電流采樣并卻與給定參考值比較；最后將控制器以零階保持的方式進(jìn)行離散化，可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)控制系統(tǒng)的數(shù)字化。 4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 圖6所示為單模塊供電的氫電解系統(tǒng)，由于采用了多相高頻化，主電路只了低容值的固態(tài)陶瓷電容作為輸出與輸入電容。試驗(yàn)電解槽額定輸入13V/30A，光伏電池板在當(dāng)前測(cè)試光照下開(kāi)路電壓28V，短路電流7.6A。 圖6 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 圖7給出在給定值下系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行波形，實(shí)驗(yàn)波形顯示相對(duì)相位為180°的雙路PWM波形（CH1和CH3）和雙路電流波形（CH2和CH4），實(shí)驗(yàn)波形表明在穩(wěn)態(tài)閉環(huán)運(yùn)行下可以保證PWM的相對(duì)相位與電流穩(wěn)態(tài)值跟蹤。 圖7 PWM控制信號(hào)和兩相輸出電流 本研究中，對(duì)光伏的最大功率追蹤是通過(guò)調(diào)節(jié)負(fù)載電流實(shí)現(xiàn)的，為了驗(yàn)證電力電子模塊調(diào)節(jié)輸出電流的能力，將變化的電流給定值定時(shí)的賦給兩個(gè)電流控制環(huán)，圖8所示為兩個(gè)通道的電流隨給定值變化的實(shí)測(cè)波形，表明電流控制回路可以較好的跟蹤電流給定。 圖8 輸出電流跟蹤給定值波形 圖9所示為最大功率追蹤的穩(wěn)態(tài)波形，通道CH1和CH2分別為電解槽端電壓、電流（1A/100mV），通道CH3和CH4分別為光伏端電壓、電流（1A/100mV）；通過(guò)光照計(jì)的校準(zhǔn)，穩(wěn)態(tài)波形處于電池板的最大功率點(diǎn)處。 圖9 最大功率追蹤測(cè)試 本論文提出了基于分布式供電的制氫系統(tǒng)架構(gòu)，并對(duì)其中關(guān)鍵的光伏模塊化供電技術(shù)做深入的探討，進(jìn)行了雙相降壓變換器的建模，底層數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及光伏最大功率追蹤的實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單電力變換模塊的性能達(dá)到了預(yù)期的效果。 未來(lái)工作將專注于使用多智能體技術(shù)協(xié)調(diào)各電力電子模塊工作。 參考文獻(xiàn) [1] S. Al-Hallaj and K. Kiszynski, Hybrid Hydrogen Systems: Stationary and Transportation Applications. UK: Springer, 2011. [2] J.-S. Lai and D. J. Nelson, “Energy management power converters in hybrid electric and fuel cell vehicles,” IEEE Proceedings, pp. 766 – 777, Apr. 2007. [3]倪 萌,M K H Leung,K Sumathy. 太陽(yáng)能制氫技術(shù)[J]. 可再生能源, 2004..03
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