光-氢转换电力变换器研究光-氢转换电力变换器研究.docVIP

光-氢转换电力变换器研究 于方艳 蒋伟 王文 莫岳平（扬州大学能源与动力工程学院电气教研室 江苏扬州 225127） 摘要：研究了用于氢电解槽的数字控制电力变换器。本研究提出了以光伏作为主要能源，以分布式方式进行氢气制备的系统架构；设计了连接光伏电池板的双相降压数字电力变换器模块，将光伏输出进行电平与功率的匹配供给氢电解槽使用。系统采用了dsPIC33F数字信号控制器实现变换器模块的电流模式控制与光伏最大功率追踪；实验结果表明，光-氢电力变换器的性能达到了预期的效果。 关键词：光伏；氢气；分布式系统；电力变换器；数字控制 基金项目：江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目 作者简介：于方艳（1989-），女，江苏邳州人，学士。主要研究方向：电力电子技术及其应用。蒋伟（1980-），男，江苏扬州人，博士，硕士生导师。主要研究方向：数字电力电子技术。 0 引 言 随着能源紧缺和环境污染现状越来越严重，开发洁净的可再生资源越来越受到重视。相比与传统的化石能源，氢能量密度大、热值高，能量转换过程中无污染，是理想的未来能源载体。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，氢能的优势逐渐显现[1- 2]。氢是宇宙中最丰富的元素，在地球上主要以碳氢化合物和水的形式存在；制氢方式主要有碳氢化合物重整和电解水两种方式，现今制氢企业主要采用碳氢化合物重整的方式制氢，因此在传统意义上，氢气制备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，则可以将光能转换为清洁的化学能，成为光-氢储能过程[3]。 本论文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做深入的探讨，包括双相降压变换器的建模，底层数字控制系统设计，以及最大功率追踪的实现。实验结果表明，单个电力变换模块的性能达到了预期的效果。 1 制氢系统架构 传统电解水制氢工业普遍采用可控硅整流的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（2V左右），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工作状态直接会影响到整个电解槽系统的性能。光伏作为仅需一次投资的免费能源，普遍以低压电池板的形式存在，可以与低压电解槽进行电平匹配。本研究中利用太阳光伏作为输入能源，提出了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三个部分：输入电源（光伏电池与储能装置）、电力变换器模块（双相降压变换器）和负载（电解槽）。系统采用多电力变换器模块供电方式：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（在本研究的实验环节中用直流电压源代替）。分布式制氢系统设计的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；并且大大降低电解槽设计的复杂度。 图1 分布式制氢系统架构 2 电力变换器模块拓扑选择与建模 2.1 电力变换器模块拓扑 光伏电池的输出是低压直流电，可以与相应电压等级的电解槽匹配制备氢气；为了在不同光照情况下保证光伏的利用率，需要使用一级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以及系统的功率密度，本设计中采用如图2所示的双向降压变换器向电解槽供电。由于两路电感电流相差180度，可以得到更高频、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的情况下，双相变换器可以选取容值偏小的固态电容以增加变换器的使用寿命。 2.2 变换器建模 图2 双相降压变换器拓扑 由于双相降压变换器的两相元件参数均相同，现对其中一相进行分析。利用等效电源法，可以将二极管的端电压vD用开关函数d（d=1或0）与电源电压vS的乘积来等效，如公式（1）所示 （1） 分别对vS和d引入小信号扰动可得图3中的小信号s-域等效电路 图3 Buck变换器小信号等效电路 Req为电解槽的小信号模型，其获取方法为：在电解槽额定工作点附近取多点进行dv/di进行计算，并做平均，求得基于任意静态工作点的等效电阻。算得电解槽在额定电压电流下的等效串联电阻Req为0.14欧姆。 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，所以系统的控制对象为占空比对电感电流的传递函数，由图3不难求出控制对象G(s)如公式（2）所示。 （2） 3 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)是给定参考信号，Y(s) 是反馈信号，E(s) 是误差信号，C(s)是控制器传递函数，G(s)是控制对输出电流的传递函数，H(s)是传感器