魏立明 田益名 郭秀娟

(吉林建筑大學 電氣與計算機學院,長春 130118)

目前，世界各個國家對船舶環(huán)保條約規(guī)范進行了嚴格規(guī)范,同時燃料價格的上漲也使得世界各國掀起了環(huán)保、經(jīng)濟、高效型艦船的熱潮.基于燃料電池電流密度高、經(jīng)濟性相對較好、避免腐蝕等優(yōu)點,許多國家都把目光聚集在研發(fā)燃料電池動力船上[1].與其它可再生能源(例如太陽能發(fā)電、風能發(fā)電)發(fā)電比較,固體氧化物燃料電池具有噪聲低、廢棄物排放較少,其安放不受地域限制等優(yōu)勢,使得近年來對固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的研究成為可再生能源發(fā)電中研究熱點之一[2].本文針對固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中的逆變系統(tǒng)和控制策略進行分析和研究.

1 固體氧化物燃料電池(SOFC)數(shù)學模型分析

由于實際燃料電池的復雜性,與仿真模型有一定的區(qū)別,因此，在整個固體氧化物燃料電池模型仿真過程中,對模型進行了一些物理和數(shù)學假設[3],其中,本文忽略了電池內不均勻分布的溫度和電流密度.

整個固體氧化物燃料電池由多個單體燃料電池組成,因此由其并聯(lián)形成整個固體氧化物燃料電池,其輸出電壓如下[4]:

V=N(E-ηohm-ηact-ηcon)

(1)

式中,E為單體燃料電池的Nernst可逆電勢;ηohm為單體燃料電池歐姆極化電壓;ηact為單體燃料電池活性極化電壓;ηcon為模型中單體燃料電池間濃度差產(chǎn)生的相對極化電壓.

燃料電池間的開路電壓E如下式所示,即:

(2)

其中,R為通用氣體常數(shù)；F為法拉第常熟；E0=1.258 6-0.000 252T,T為電池的工作溫度.

歐姆極化電壓:

(3)

式中,I為燃料電池電堆得電流；r0為當溫度T=1 273K時燃料電池內部電阻;α為其溫度系數(shù).

(4)

式中,I0交換電流.

濃度差引起的相對電壓如下:

(5)

式中,IL為限制電流,數(shù)值取決于實驗數(shù)據(jù).

其燃料電池輸出電壓V由相關的Nernst方程和Butler-Volmer公式可得[4]:

(6)

式中,I為電堆電流;r為電堆極化損失電阻.

2 SOFC系統(tǒng)仿真模型分析

整個逆變系統(tǒng)由以下6個組成:① 基本部分由功率開關管相互連接而成;② 變壓部分由升壓變壓器組成,以得到400V交流電壓;③ 整流部分變換成相同電壓的直流電;④ 斬波部分中增加將變換器所輸出電壓進行過濾得相關器件;⑤ 逆變部分采用單相全橋逆變器;⑥ 最后在變換器與逆變器之間加設一個濾波器,其由電容和電感組成,目的是穩(wěn)定電壓.

逆變器部分的輸出濾波器,主要濾除輸出交流電壓的高次諧波,圖1為整個固體氧化物燃料電池發(fā)電逆變系統(tǒng)結構圖.

圖1 SOFC逆變系統(tǒng)的結構Fig.1 The structure of SOFC inverter system

通過上面的分析,可以構建其仿真模型,整個系統(tǒng)采用單相全橋逆變器,在逆變器中由正弦脈沖寬度調制(SPWM)控制其開關的通斷,輸出波形要經(jīng)過濾波得到其相應的波形.濾波器的整個電路結構采用二階濾波器,該濾波器的主要元件為電感與電容,其中并聯(lián)電容的作用是對零散無用信號的衰減.

圖2為采用改進型斬波變換器后輸出的電壓波形.該波形對0～1.5s這個時間段內的升壓過程進行了分析,從輸出電壓波形可以看出,在時間為0.5s時電壓達到理想值,然而在0.75s，0.82s區(qū)間,負載功率突變,變化值為500W,0.83s后輸出電壓達到穩(wěn)定值,為后面逆變器提供穩(wěn)定的直流電.圖3為逆變器輸出電壓波形,從圖3可以得出,仿真曲線圖截取0.28s～0.36s3個正弦周期,整個輸出電壓波形相對穩(wěn)定.

圖2 DC/DC輸出電壓Fig.2 DC/DC output voltage

圖3 DC/AC輸出電壓Fig.3 DC/AC output voltage

3 基于模糊-PID固體氧化物燃料電池控制

常規(guī)PID控制具有一定優(yōu)點,如速度快、穩(wěn)定性能好,由于受到量化誤差影響使其控制精度降低,因此PID算法也存在一定的不足,常規(guī)PID算法很難控制其波形以取得較好的效果.針對動態(tài)響應問題,和PID控制方法比較,模糊控制有更好的效果,一方面其有處理采樣環(huán)節(jié)和計算延時上優(yōu)點；另一方面也會存在較差的穩(wěn)定性能的問題.因此,本文針對上面兩種方法的優(yōu)缺點,提出基于模糊—PID的方法,以克服兩種方法的不足.基于模糊—PID控制的逆變系統(tǒng)結構圖見圖4所示.

依據(jù)前文當中的理論分析,通過輸出電壓與理論電壓可以得到其差值e,對誤差e進行相應模糊化處理,使其輸出相應的信號,分別為KP，KI和KD.整個控制仿真結構分為3個部分,即逆變處理模塊、正弦脈沖調制模塊以及模糊處理模塊.本文仿真系統(tǒng)中的參數(shù)設置如下,調制度設為0.915,PID中參數(shù)分別為:200,45,0.05,圖5為加擾動負載時系統(tǒng)的輸出電壓波形.

圖4 交流輸出電壓Fuzzy-PID控制結構圖Fig.4 Ac output voltage fuzzy-PID control structure

圖5 輸出電壓電流波形Fig.5 Voltage output wave

從上圖中可以得出,在沒有擾動負載時,整個發(fā)電逆變系統(tǒng)動態(tài)響應較快,輸出電壓動態(tài)特性控制較好.通過調節(jié)KP, KI和KD3個參數(shù),可以使可使系統(tǒng)達到理想值,以保證輸出電壓穩(wěn)定性.圖6為模糊PID控制輸出電壓FFT分析,通過快速傅里葉變換使其抑制諧波.將傳統(tǒng)PID控制與本文提出的模糊-PID控制方法(Fuzzy-PID)進行比較,將本設計中PID的修正系數(shù)設為0,采集周期一致,階躍響應時間設置為0.12s,得到通過傳統(tǒng)PID控制的快速傅里葉輸出電壓分析曲線見圖7所示.

圖6 模糊-PID控制輸出電壓FFT分析Fig.6 FFT analysis of voltage by fuzzy-PID control

圖7 PID控制輸出電壓FFT分析Fig.7 FFT analysis of voltage by PID control

從圖7可以分析,傳統(tǒng)PID控制所得輸出電壓含有的諧波比模糊PID控制所得輸出電壓含有諧波高,相比而言,模糊-PID方法其控制震蕩效果比常規(guī)PID要好.為了驗證模糊-PID控制方法的穩(wěn)定性,采取加入擾動負載后,觀察其輸出電壓和電流波形,其參數(shù)設置同上.其變化波形見圖8所示.

圖8 擾動負載控制電壓電流波形Fig.8 Voltage and current of load change

通過圖8分析發(fā)現(xiàn),加入擾動負載后,輸出波形基本沒有變化,在0.04s時電流發(fā)生相應地變化,仍為線性變化,對整個SOFC逆變系統(tǒng)的輸出電壓不會造成影響.因此說明了模糊-PID控制方法對于擾動負載具有較強的誤差調節(jié)能力,能夠較好的適應電壓的快速變化,同時也說明了本文所提出的模糊-PID控制方法具有較好的可靠性.

4 結論

本文以固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)作為研究對象，對其數(shù)學模型、逆變系統(tǒng)以及輸出電壓控制算法進行分析.整個系統(tǒng)中在斬波變換器中增加反激式繞組以提高直流母線電壓的穩(wěn)定性,同時提出將模糊-PID控制算法應用到系統(tǒng)中以提高其動態(tài)響應,進行相應的仿真,相應的仿真結果證明了該算法具有穩(wěn)定性和可靠性較強,輸出電壓含有諧波少等特點,因此模糊-PID控制算法應用于固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中是適宜的.