光-氫轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電力電子模塊研究
摘要:研究了用于氫電解槽的數(shù)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(tǒng)架構(gòu),并對(duì)系統(tǒng)負(fù)載電解槽進(jìn)行了小信號(hào)建模。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了雙相降壓數(shù)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(tǒng)采用dsPIC33FJ64GS606數(shù)字信號(hào)控制器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)閉環(huán)電流模式控制和光伏最大功率追蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞:電力電子模塊;光-氫轉(zhuǎn)換;分布式系統(tǒng);數(shù)字控制
1 引言
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),氫能優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。最近的研究也表明,利用高分子聚合物可有效儲(chǔ)氫,有望解決未來氫能源的存儲(chǔ)與運(yùn)輸問題。而在傳統(tǒng)意義上,氫氣制各被認(rèn)為是一種高能耗過程。
太陽能取之不盡,用之不竭,若能高效利用太陽能分解水來制備氫氣,則可將光能轉(zhuǎn)換為清潔的化學(xué)能,成為光.氫儲(chǔ)能過程。此處提出基于分布式概念的制氫系統(tǒng)架構(gòu),對(duì)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(hào)建模,雙相降壓變換器的建模,底層數(shù)字控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),及最大功率追蹤實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,單電力電子模塊的性能達(dá)到了預(yù)期效果。
2 制氫系統(tǒng)架構(gòu)
傳統(tǒng)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(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(tǒng)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。研究中利用太陽光伏作為輸入能源,提出直流供電網(wǎng)絡(luò)的太陽能制氫系統(tǒng)架構(gòu),如圖1所示。
分布式太陽能制氫系統(tǒng)主要包括3部分:輸入電源(光伏電池與儲(chǔ)能裝置)、電力電子模塊(雙相降壓變換器)和負(fù)載(電解槽)。系統(tǒng)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(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(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)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;并且大大降低了電解槽設(shè)計(jì)的復(fù)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(yùn)行溫度接近室溫,故研究中選擇堿性電解槽作為電解水設(shè)備。
常用的電解槽數(shù)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(shì);r為與電解質(zhì)相關(guān)的歐姆電阻參數(shù);A為電極的面積;s,t為相關(guān)的過電壓系數(shù)。
研究表明,溫度對(duì)電解槽的端口特性也有較大影響。為簡化電解槽模型,根據(jù)電解槽生產(chǎn)廠家數(shù)據(jù),在推薦溫度(40℃)下對(duì)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(jì)算是基于任意靜態(tài)工作點(diǎn),故Req為電解槽小信號(hào)模型。在電解槽額定工作點(diǎn)附近取多點(diǎn)進(jìn)行計(jì)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。
評(píng)論