一种燃料电池功率调节器的建模与控制.pdf

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1、第35卷第5期武汉理工大学学报(信息与管理工程版)Vo1．35No．52013年10月JOURNALOFWUT(INFORMATION&MANAGEMENTENGINEERING)Oct．2013文章编号：2095—3852(2013)05—0682—04文献标志码：A一种燃料电池功率调节器的建模与控制叶琼，全书海，黄亮，刘春玉'(1．武汉理工大学自动化学院，湖北武汉430070；2．武汉理工大学新能源检测与控制研究中心，湖北武汉430070)摘要：燃料电池发电因其高效环保越来越受到社会各界的关注，但其输出电压范围宽、特性偏软，必须借助于大功率DC／DC变换器作为输出功率调节环节。通过

2、分析燃料电池发电系统中的功率分配原理，引入蓄电池二阶RC等效电路，从输出功率的角度对调节器进行建模并设计了相应的控制器，通过在Matlab中仿真和制作样机试验，均取得了良好的效果，结果证明了设计的合理性。关键词：燃料电池；功率调节；蓄电池；Matlab仿真中图分类号：TP297DOI：10．3963／j．issn．2095—3852．2013．05．014燃料电池是一种新型、高效、清洁的可再生1功率模式原理分析能源，由其构成的发电系统近年来得到了社会各界的高度关注，但其输出电压特性偏软，随着图1所示为燃料电池功率调节系统总电路及输出电流增大而大幅降低J。如果将燃料电池能量流动示意图，功

3、率调节器直接控制输出功率，直接与负载相连，当负载增大(即输出功率变输出电压由蓄电池钳位，燃料电池通过调节器向大)时，由于燃料电池输出功率由输入燃料的量负载供电，通过检测调节器输出功率与负载功率决定而无法突变，这将导致其输出电压下降，严相比较，当负载较轻即所需功率小于调节器输出重影响输出电能质量；当负载变小时，燃料将会因功率时，燃料电池发出多余的电能将储存在蓄电为来不及减少而造成浪费。此外，当负载突然变池中，同时减少其自身的发电量，直到系统达到平化(如突增)时，燃料电池的输出电压被拉低，由衡，即蓄电池不充不放且燃料电池输出功率与负于P=U／使得负载电流进一步增大，将导致输出载功率相等；当

4、负载较重时，燃料电池通过调节器电压被继续拉低，电流继续增大，形成一种恶性循与蓄电池共同向负载供电，同时增大燃料电池发环，系统将无法正常工作。因此燃料电池、太阳能电量，直到燃料电池输出功率与负载功率相等，蓄等发电系统中必须配备功率变换装置(PCU)及蓄电池回到不充不放状态；系统处于平衡状态时，只电池等功率调节环节来保证负载供电稳定。随着由燃料电池通过调节器向负载供电。燃料电池产品与技术的发展，用于它的DC／DC等2主电路建模分析PCU及其控制技术的研究已成为一项重要的课题一。2．1主电路小信号建模燃料电池等发电系统中由于在负载前端引功率调节器主电路拓扑结构为经典buck电入蓄电池调节输出

5、功率，并维持输出电压恒定，路，如图2所示，文献[4]已对其工作原理作了详使传统电压、峰值电流等闭环控制方法的使用细分析，笔者不再赘述。电路主要参数为：输入电受到限制，笔者从功率的角度提出一种对buck压=50～80V，输出电压Vo=48V，额定功率变换器的新型建模方法并设计相应控制器，样P=6kW，滤波电容C：325IxF，滤波电感L=210机试验结果表明，这样新型的建模方法能较好tzH，开关频率．=20kHz，等效负载电阻R=地满足设计要求。0．384n收稿日期：2013—02—02．作者简介：叶琼(1990一)，女，安徽安庆人，武汉理工大学自动化学院硕士研究生．基金项目：国家自然科

6、学基金专项基金资助项目(51247003)；国家863计划基金资助项目(2012AAl10601)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20090143110004)．第35卷第5期叶琼，等：一种燃料电池功率调节器的建模与控制683210uH————在Matlab中绘制的G；(s)伯德图如图5所示。由图5可知，幅值裕度为无穷大，相位裕度为负9．75。，穿越频率为10．3kHz，在转折频率Lo=FC载610Hz之后以一40dB／dec的斜率下降。因此，系统相位裕量低，没有明显的中频段特性，要想达5O～80V25A75—120A到较好的控制效果，必须要加入补偿网络，改燃燃料料功善低频特

7、性和稳定性，增加系统相位裕量，提高抗供电率给池检干扰能力。信输测号出DSP2407主控制器图1系统在蓄电池不同模态下的能量流动图2主电路结构主电路小信号等效模型如图3所示。由文献[6]知容量为200AH，额定输出电压为48V的输出蓄电池可由如图4所示二阶RC等效电路表示，主要参数为R。=10mQ，R2=200mO，C2=图5原始系统开环传递函数伯德图200F，设其复频域等效阻抗为Z(s)，则有：2．2功率模式控制器设计即+c+调节器闭环结构框图