爱华网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 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。 图2 双相降压变换器拓扑 变换器建模。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)是传感器反馈网络的传递函数。对于第二路电流，采用相同的控制器结构与参考值，形成一个并行双路闭环的系统。 图4 闭环控制框图 根据稳态运行时的参数及电路参数，在控制对象中，VS=28V，Req=0.14Ω，L=40uH，C=20uF。 电流反馈网络采用开环霍尔传感器ACS714加低通滤波器，可以求得反馈网络的传递函数为： （3） 其中K=0.033，R1=100Ω，C1=0.1uF。 控制器采用单零点的PI算法，所以：
（4） 由以上可得闭环传递函数为： （5） 用MATLAB可得闭环传递函数的频率响应曲线如图5所示。由图可以看出，当Kp=3，Ki=3000，交越频率为10kHz，为开关频率的1/5，相位裕量为59.9o，能满足系统稳态与动态需求。 图5 闭环传递函数的频率响应曲线 电力电子模块采用数字信号控制器dsPIC33FJ64GS606来进行底层的电流控制以及本地功率管理（光伏功率追踪）。器件外设带有丰富功能的PWM外设，利用边沿对齐互补的PWM模式，通过各路PWM的非独立式移向寄存器PHASE来设定各路PWM的相移，生成两路50kHz的PWM相位相差180°。控制器的AD外设以10kHz的采样率10位的精度进行两路电流采样并却与给定参考值比较；最后将控制器以零阶保持的方式进行离散化，可以实现连续控制系统的数字化。 4.实验结果与分析 图6所示为单模块供电的氢电解系统，由于采用了多相高频化，主电路只了低容值的固态陶瓷电容作为输出与输入电容。试验电解槽额定输入13V/30A，光伏电池板在当前测试光照下开路电压28V，短路电流7.6A。 图6 实验环境 图7给出在给定值下系统稳态运行波形，实验波形显示相对相位为180°的双路PWM波形（CH1和CH3）和双路电流波形（CH2和CH4），实验波形表明在稳态闭环运行下可以保证PWM的相对相位与电流稳态值跟踪。 图7 PWM控制信号和两相输出电流 本研究中，对光伏的最大功率追踪是通过调节负载电流实现的，为了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的赋给两个电流控制环，图8所示为两个通道的电流随给定值变化的实测波形，表明电流控制回路可以较好的跟踪电流给定。 图8 输出电流跟踪给定值波形 图9所示为最大功率追踪的稳态波形，通道CH1和CH2分别为电解槽端电压、电流（1A/100mV），通道CH3和CH4分别为光伏端电压、电流（1A/100mV）；通过光照计的校准，稳态波形处于电池板的最大功率点处。 图9 最大功率追踪测试 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，进行了双相降压变换器的建模，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，单电力变换模块的性能达到了预期的效果。 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。 参考文献 [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. 太阳能制氢技术[J]. 可再生能源, 2004..03
