基于功率控制器的并网燃料电池建模仿真

杨兴超 陈卓 冯谨涛 徐洋涛

关键词：并网 燃料电池 仿真建模 功率控制器

1 引言

一般对燃料电池比较好的理解是一种可以承载某些电化学反应的容器，根据所需燃料的特性可以将燃料电池分为熔融碳酸盐类（MCFC）、碱性类（AFC）、酸性类（PAFC）、固体氧化物类（SOFC）、质子交换膜类（PEMFC）等[1]。由于燃料电池反应的介质不同，每种燃料电池的反应原理也不同，不过燃料电池共同的特点也比较鲜明，具体为：

（1）燃料电池具有非常高的能量转换效率，基本上可以达到85% 以上;（2）与燃油发动机等设备相比，燃料电池具有很低的空气污染率，由于燃料电池大多采用氢含量很高的反应物，所以在CO2 的排放上也是非常友好，若是以纯氢作为燃料，那么排放的产物就是水;（3）燃料电池工作的原理是电化学反应，所以具有很少的反应部件。运行高效、安静、平稳

图1 是燃料电池反应的原理图[2]，可以看出氢气通过燃料电池的阳极分离为氢离子，随后氢离子进入电解质中，最后经过电化学反应，在燃料电池的阴极产生氧气和水。整个反应过程中，电子有通过外部导线进行流动最终形成电流[3]。

2 数学建模

该模型基于如下所示的燃料电池堆的等效电路，等效电路的简化模型如图2 所示：

3 模型搭建

根据上面的数学分析进行Simulink 建模如下图4。

4 仿真分析

通过MATLAB 建模参数的确认之后，进行仿真，仿真结果如图5、6、7、8 所示D/Q 軸电流变化趋势、三相电压波形图、直流电压侧电压图。

图5 可以看出，通过逆变器之后三相电压变化平滑，电池发电的电压和电流输出平稳。电流的波形图可以看出，三相电流的波形图具有尖峰，说明逆变器开关具有一定的开关损耗。通过一系列的反应之后，电堆的电压开始平稳。基本稳定在400V。

5 结语

本文以燃料电池为研究对象，通过分析燃料电池反应物和氢氧含量的输入条件，电压为输出条件进过一系列的数学推导，推导出燃料电池电压与输入输出条件的关系，最后进过逆变器整流并网放电。整个建模过程利用MATLAB 工具箱，仿真精度10-6。模型真实可靠。