氢燃料电池发电系统交错BOOST均流技术研究

胥 良，张 硕，彭根德

(黑龙江科技大学 电气与控制工程学院， 哈尔滨 150022)

0 引 言

随着国民生活水平的提高，中国对绿色环保越发重视。氢燃料发电系统作为绿色能源的重要组成部分，得到了学者们广泛关注。相较于其他传统燃料电池，氢燃料电池的优势在于可以将化学能直接转换为电能，中间没有其他转换过程，利用率较高。且受环境影响小，设备结构简单，安装方便，设备起停速度快，工作过程稳定可靠，利用这一优点可以为电网提供实效的电能增减。氢燃料电池使用的燃料为氢气，氢气资源储量丰富，其化学反应产生的产物为小分子的水，比燃煤发电系统更加环保。氢燃料电池的输出特性与其连接的变换器有着密切关系，变换器是电能转换的关键环节，影响氢燃料电池能量转换的整体性能，因此性能优越的DC/DC变换器可以充分发挥燃料电池的优越性。

然而氢燃料电池的输出电压较低，需要通过DC/DC变换器将其产生的低电压转换为与直流微电网匹配的高电压后才能向外界输送电能[1]。通过对氢燃料电池特性的分析，在氢燃料电池发电系统中DC/DC变换器应具有宽输入电压范围、稳定输出、低输入电流纹波、较高的升压比并具有良好的动态特性[2]。

当DC/DC电路满足较高的电压增益时，需要开关器件承载较高的电流应力。开关元件承载较高的电流应力时会产生大量的热量，降低变换器效率。严重时可能造成元件的损坏。为了降低开关器件的损耗且减小电流应力，对DC/DC电路进行并联可以减小相应的电流应力，理想状况下，并联的变换器参数相同，电流会平均分配，但由于寄生参数存在差异，满载时外特性斜率大的变换器输出电流较大，输出电流最大的变换器会率先达到保护电流阈值，引起误操作，导致资源不能合理利用。综上所述,采用并联均流是变换器设计的重要环节。

1 交错BOOST结构及分析

为了减小DC/DC变换器上开关管应力，采用具备均流技术的交错并联BOOST电路，如图1所示。交错BOOST电路主要结构包括直流源DC，两只储能电感L1、L2，2只开关管VT1、VT2，2只二极管D1、D2，输出滤波电容C及负载电阻R[3]。交错BOOST拓扑采用2只BOOST进行并联，输入电流被两只BOOST变换器分配，其优点在于可以充分的减小流过开关器件的电流。但即使是相同参数的2只BOOST变换器也不能使2只变换器的电流达到平均分配。在某些特点状态下，2只变换器流过的电流差距悬殊，因此需对交错BOOST变换器进行精准均流，达到两只变换器电流平均分配的目的。

图1 交错并联BOOST拓扑结构Fig.1 Interleaved parallel BOOST topology

首先对DC/DC电路的工作状态进行分析，Ug1和Ug2分别为交错BOOST变换器2个开关管的驱动电压，iL1和iL2分别为2只电感上的电流，iL为交错BOOST整体输出电流，交错BOOST电路脉冲时序图如图2所示。

图2 交错并联BOOST脉冲时序Fig.2 Interleaved parallel BOOST pulse timing

具体工作原理为：

工作过程1(0～T0)：当Ug1施加驱动信号时，开关管VT1导通，电流流向为DC—L1—VT1，电感L1储能并且电流iL1增大。Ug2无脉冲信号，开关管VT2关断，工作过程DC—L2—D2—负载，如图3(a)所示。

工作过程2(T0～T1)：Ug1和Ug2此时都没有驱动信号，开关管VT1和VT2全部关断，此工作过程为DC—L1/L2—D1/D2—负载，直流电源和电感的能量同时向负载输出，如图3(b)所示。

工作过程3(T1～T2)：当Ug2施加驱动信号时，开关管VT2导通，电流流向为DC—L2—VT2，电感L2储能并且电流iL2增大。Ug1无脉冲信号，开关管VT1关断，工作过程DC—L1—D1—负载，如图3(c)所示。

工作过程4(T2～T3)：Ug1和Ug2此时都没有驱动信号，开关管VT1和VT2全部关断，此工作过程为DC—L1/L2—D1/D2—负载，直流电源和电感的能量同时向负载输出，如图3(d)所示。

图3 交错BOOST工作原理Fig.3 Working principle of interleaved BOOST

2 交错BOOST均流方案比较

传统的并联均流方式根据场合及DC/DC电路参数的不同主要分为平均电流法和最大电流法，分别有其优势但也存在着显著性的不足，对其原理进行系统性的分析如下：

如图4所示，平均电流法主要通过检测母线电流与母线电压，当母线电流不为零时，母线电压Ub与电流放大器输出电压作比较后，经过均流控制器变为Vc，调节电压误差放大器，得到Vf，Vf与反馈电压Vout做比较后，通过误差电压来控制开关管占空比，实现均流[4]。

图4 平均电流法Fig.4 Average current method

如图5所示，最大电流法主要捕捉直流母线的最大电流，此结构会将其中一个并联的模块作为主模块，另一个作为从模块，最终实现均流[5]。与平均电流法相比，用二极管替换电阻，利用二极管的单向导通性，即某一模块电源输出电流最大时，二极管才能导通，此时电流放大器输出电压最大，母线电压Ub与其做比较后，通过误差信号调节开关管占空比。

图5 最大电流法Fig.5 Maximum current method

3 并联均流控制策略

平均电流法的均流结果相对准确，但当直流母线出现短路时，短路电流很大，会瞬间引起DC/DC电路产生很大的冲击造成系统故障。最大电流法的优点主要是具备一定的抗干扰能力，但一个二极管的压降会给系统整体造成误差，使均流精度一定程度上受到干扰。针对上述问题提出一种新型主从双环并联均流控制策略，结合PID算法实现精准均流。

新型主从双环控制器结构如图6所示。首先检测直流母线电压Vout，与设定的参考电压Vref作比较得到误差信号，经过PI环节后调节BOOST1开关管的脉冲宽度形成电压闭环，然后分别检测BOOST1及BOOST2的直流电流，将BOOST1的电流作为给定值i1和BOOST2的电流i2进行比较，将误差电流信号经过PI环节后调节BOOST2的电流迫使BOOST2的电流跟随BOOST1的输出电流，形成双环控制，达到均流的目的。其优点在于实现简单，且均流准确，只需要将BOOST1作电压闭环，然后BOOST2作为电流闭环即可。这样电压作为外环，电流作为内环，实现双环控制。

图6 新型并联均流控制器Fig.6 Novel parallel current sharing controller

3.1 新型并联均流核心控制算法

结合PID算法调节2只并联模块开关管的脉冲宽度，最终达到稳压并能精准均流的目的。模拟PID控制策略的一般规律如式(1)所示。

(1)

式中：U(t)为并联控制器输出；e(t)为母线电压和参考电压或两只并联模块的电流误差；Kp为变换器比例系数；Ti为变换器的积分项系数；Td为变换器微分项系数。PID调节主要通过调节上述三个系数使变换器达到稳定运行的状态[4]。

由于上述控制为采样控制，只能根据采样时刻的数据来调节，因此对式(1)进行离散化处理，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程 ，这时微分项和积分项可以表示为式(2)和(3)。

(2)

(3)

将式(2)和式 (3)代入式(1)，则可得到离散的 PID 表达式：

P(K)=

(4)

式中：E(K)为K次采样的误差值；E(K-1)为K-1次采样的误差值；P(K)为第K次系统的输出调节。 式(4)中只要确保采样周期T足够小，系统便可以得到一定的精度[5]。

4 仿真建模与波形分析

以50 kW氢燃料电池组后级DC/DC变化为模型借助Simlink仿真软件进行模型搭建，其中输入电压DC 200 V，输出电压为500 V，输出额定电流为100 A。未采用均流技术的交错BOOST输出电流如图7(a)所示；采用新型双环并联均流控制器的波形如图7(b)所示。可见2个控制器电流基本相等。单BOOST以100 A电流输入时电流波形如图8所示，采用新型双环并联均流控制器的交错BOOST输入电流如图9所示，可见电流峰峰值明显减小。采用新型双环并联均流控制器的交错BOOST输出电压如图10所示，可见输出稳定电压为500 V。

图7 交错BOOST电感电流波形Fig.7 Interleaved BOOST inductor current waveform

图8 单BOOST下输入电流波形Fig.8 Input current waveform under single boost

图9 交错BOOST下输入电流波形Fig.9 Input current waveform under interleaved boost

图10 交错BOOST下输出电压波形Fig.10 Output voltage waveform under interleaved boost

通过仿真结果分析采用新型双环均流控制策略的交错BOOST，两只BOOST输出电流基本一致，大大减小了开关管的电流应力，且采用新型双环并联均流控制策略的交错BOOST比单只BOOST以同样电流输出时峰值更小。具有更小的纹波电流。输出电压稳定最大超调量不超过700 V，稳定时间约为0.1 s。综上所述，对交错BOOST采用新型双环并联均流控制策略可以更好的应用到氢燃料电池发电系统DC/DC变换器上，充分发挥氢燃料电池的优势。

5 结 语

该文提出一种新型双环并联均流控制策略的交错BOOST，通过仿真验证，较好地解决了交错并联BOOST中电流不一致的问题，输入电流纹波小，满足氢燃料电池发电系统对DC/DC变换的技术要求，实现了预期目标。