光-氫轉換系統電力電子模塊研究

摘要：研究了用于氫電解槽的數字控制電力電子模塊。提出以光伏作為主要能源，以分布式發(fā)電的方式進(jìn)行氫氣制備的系統架構，并對系統負載電解槽進(jìn)行了小信號建模。在此基礎上設計了雙相降壓數字電力電子模塊，將光伏輸出進(jìn)行電平與功率的匹配供給氫電解槽使用。系統采用dsPIC33FJ64GS606數字信號控制器實(shí)現系統閉環(huán)電流模式控制和光伏最大功率追蹤。實(shí)驗結果表明系統達到了預期的效果。
關(guān)鍵詞：電力電子模塊；光-氫轉換；分布式系統；數字控制

1 引言
隨著(zhù)以氫氣為能源的質(zhì)子交換膜燃料電池逐漸應用于靜止發(fā)電裝置與車(chē)載動(dòng)力系統，氫能優(yōu)勢逐漸顯現。最近的研究也表明，利用高分子聚合物可有效儲氫，有望解決未來(lái)氫能源的存儲與運輸問(wèn)題。而在傳統意義上，氫氣制各被認為是一種高能耗過(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，則可將光能轉換為清潔的化學(xué)能，成為光．氫儲能過(guò)程。此處提出基于分布式概念的制氫系統架構，對其中關(guān)鍵的光伏模塊化供電技術(shù)進(jìn)行深入探討，包括氫電解槽小信號建模，雙相降壓變換器的建模，底層數字控制系統設計，及最大功率追蹤實(shí)現。實(shí)驗結果表明，單電力電子模塊的性能達到了預期效果。

2 制氫系統架構
傳統制氫工業(yè)普遍采用晶閘管整流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(約2 V)，傳統解決方案下必須進(jìn)行多單元串聯(lián)設計。由于制造過(guò)程不能保證每個(gè)單元的一致性，串聯(lián)通路中任何一單元的工作狀態(tài)直接會(huì )影響到整個(gè)系統性能。光伏作為僅需一次投資的免費能源，普遍以低壓電池板形式存在，可與低壓電解槽進(jìn)行電平匹配。研究中利用太陽(yáng)光伏作為輸入能源，提出直流供電網(wǎng)絡(luò )的太陽(yáng)能制氫系統架構，如圖1所示。

分布式太陽(yáng)能制氫系統主要包括3部分：輸入電源(光伏電池與儲能裝置)、電力電子模塊(雙相降壓變換器)和負載(電解槽)。系統采用多電力電子模塊供電方式：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 )，作為保持系統功率平衡的能量緩沖單元(實(shí)驗環(huán)節中用直流電壓源代替)。分布式制氫系統設計優(yōu)點(diǎn)在于分布式模塊化供電，相對于光伏串聯(lián)的高壓系統可靠性大大增加；并且大大降低了電解槽設計的復雜度。

3 堿性電解槽建模
電解水的方式有多種，常用方法有堿性電解槽，質(zhì)子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽。堿性電解槽制造成本與工藝要求較低，運行溫度接近室溫，故研究中選擇堿性電解槽作為電解水設備。
常用的電解槽數學(xué)模型如下：
U=Urev+rI／A+slog(tI／A+1) (1)
式中：U為電解槽端直流電壓，Urev為其反電動(dòng)勢；r為與電解質(zhì)相關(guān)的歐姆電阻參數；A為電極的面積；s，t為相關(guān)的過(guò)電壓系數。
研究表明，溫度對電解槽的端口特性也有較大影響。為簡(jiǎn)化電解槽模型，根據電解槽生產(chǎn)廠(chǎng)家數據，在推薦溫度(40℃)下對電解槽進(jìn)行了靜態(tài)特性測試，在電解槽任意靜態(tài)工作點(diǎn)可定義等效電阻Req=△U／△I。由于Req的計算是基于任意靜態(tài)工作點(diǎn)，故Req為電解槽小信號模型。在電解槽額定工作點(diǎn)附近取多點(diǎn)進(jìn)行計算，并做平均。算得電解槽在額定電壓電流下等效串聯(lián)電阻為0．14 Ω。