第40卷第1期电力系统保护与控制Vol.40 No.1 2012年1月1日Power System Protection and Control Jan. 1, 2012 周念成，李春艳，王强钢，邓 浩
（输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学)，重庆 400044）
摘要：根据固体氧化物燃料电池（SOFC）的电化学特性和微网的运行要求，建立了含SOFC、BOOST变换器、蓄电池（BESS）、双向DC/DC变换器、DC/AC逆变器和滤波器6部分的SOFC发电系统整体模型，提出了适应各种运行状态的控制策略。DC/AC 逆变器采用V/f下垂控制，包含内环电流和外环电压；逆变器控制模块中包含重连同步环节，作用于微网从孤岛到并网模式的平滑转换。为了提高SOFC的动态响应速度，在直流母线侧并联储能蓄电池，采用双向DC/DC变换器的滞环充放电控制来提高功率调节速度。构建了包含SOFC发电系统的微网模型，并网、孤岛以及两种模式间切换时的仿真结果表明所提出的SOFC 发电系统模型能正确反映SOFC的电化学特性，控制策略效果良好，能在微网各种运行条件下保证微网的稳定运行。 关键词：固体氧化物燃料电池；微网；逆变器；BOOST变换器；控制策略
Modeling and control strategy of solid oxide fuel cell generation system
ZHOU Nian-cheng，LI Chun-yan，WANG Qiang-gang，DENG Hao
（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology,
Chongqing University，Chongqing 400044，China）
Abstract: According to the electrochemical character of solid oxide fuel cell (SOFC) and operational requirements of micro grid, the overall model of SOFC power generation system which contains SOFC, BOOST converter, storage battery(BESS), buck-boost converter, DC/AC inverter and filter is developed and the control strategy adapting to various operating status is proposed. DC/AC inverter adopts V/f droop control strategy which includes inner current and outer voltage loops. The controller also incorporates synchronization block for ensuring smooth and safe reconnection from islanding mode to grid-connected mode in micro grid. In order to improve the dynamic response speed of SOFC, storage battery is in parallel with DC bus through buck-boost converter which adopts hysteresis charging/discharging control strategy to raise the power regulation speed. The structure of micro gird which contains SOFC power generation system is set up. The simulation results of SOFC generation system operating on grid-connected mode, islanding mode and switching between
two modes verify that the model of SOFC generation system can correctly reflect the electrochemical characters of SOFC. The effect of the control strategy is good and can ensure the stable operation of micro grid in all kinds of operating conditions.
Key words: solid oxide fuel cell; micro grid; inverter; BOOST converter; control strategy
中图分类号： TM911 文献标识码：A 文章编号： 1674-3415(2012)01-0120-07
0 引言
微网是将分布式电源、负荷和储能装置等集合而成的一个可控单元[1-4]。燃料电池由于清洁、低噪音、负载能力强且不受地域限制的优点，作为分布式电源具有广泛的应用前景。而SOFC由于无泄漏、综合利用效率高和寿命长等优点，引起人们的普遍关注，是燃料电池研究的热点和重点[5-8]。已有不少
基金项目：输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目（2007DA10512709208）；重庆市自然科学基金（CSTC2009BB6190）文献对SOFC的电化学特性和模型进行了研究，文献[9-10]分别提出了平板状固体氧化物动态模型和管状固体氧化物暂态模型；针对SOFC在电力系统中的应用，文献[9-13]研究了燃料电池的并网模型，但对逆变器控制策略研究较
为简单。随着对燃料电池研究的深入，对燃料电池分布式发电和其在微网的应用研究逐渐增加。文献[13-14]分别研究了燃料电池和其他微源组成的混合发电系统的特性，文献[13]直接将蓄电池等效为电压源与燃料电池在直流母线侧并联，采用的逆变器模型控制方法较简单；文献[15]建立了含光伏阵列和质子交换膜燃料电池的微网模型，但文中没有涉及蓄能设备。现有文献
周念成，等固体氧化物燃料电池发电系统建模与控制 - 121 -
多将燃料电池与其他微源结合研究，SOFC本身的控制方式比较简单，较少对含SOFC的微网特性进行分析和处理。
本文根据微网的并网、孤岛及2种模式的转换的要求，建立了包含SOFC、BOOST变换器、DC/AC 逆变器、蓄电池（BESS）、DC/DC双向变换器和滤波器6部分的SOFC发电系统整体模型，并提出适应于各种运行状态的控制策略。比较不同燃料控制方式下SOFC的输出特性，考虑负荷电流反馈用以控制输入到燃料处理器中的燃料流量，选择采用定燃料利用率方式。利用开环传递函数相位裕量和增益裕度变化曲线设计BOOST变换器和蓄电池DC/DC变换器的控制参数。DC/AC逆变器在内环电流控制中设置重连同步，实现平滑并网。利用PSCAD/EMTDC搭建包含SOFC发电系统的微网模型，仿真分析了正常运行、模式转换以及短路故障时SOFC的响应特性，验证了本文提出模型的正确性及良好的适应性。
1 SOFC的特性及模型
1.1 SOFC建模
燃料电池将化学燃料（多为富氢气体）中的化学能直接转化为电能，只要有燃料和氧化剂供给，就能持续不断地供电。SOFC由阳极（燃料极）、阴极（空气极）和两极间的电解质组成，工作温度相对较高，一般在600～1000℃。在阳极一侧持续输入燃料，阳极表面吸附燃料，并扩散到阳极与电解质界面。在阴极一侧持续通入O2或空气，具有多孔结构的阴极表面吸附氧，由于阴极本身的催化作用，使得O2得到电子变为O2-，在化学势的作用下，O2-进入起电解质作用的固体氧离子导体，由于浓度梯度引起扩散，最终到达固体电解质与阳极的界面，与燃料气体发生反应，失去的电子通过外电路回到阴极[5,10]。
SOFC可采用定燃料输入流量和定燃料利用率两种控制方式[16]。前一种控制方式下，燃料输入流量为常数，负荷电流变化不影响燃料输入流量；而后一种控制方式下，为使燃料利用率保持不变，须将负荷电流反馈用以控制输入到燃料处理器中的燃料流量，从而将负荷和燃料输入量联系起来。本文SOFC模型采用定燃料利用率方式，其框图如图1所示。
图1中SOFC负荷电流I fc作为反馈引入，经过时间常数为T e（T e=0.8 s）的一阶惯性环节得到SOFC 堆电流I，其中时间常数T e表示燃料电池的电动态响应时间[17]。堆电流I、燃料利用率u opt和氢气反
应系数K r经表征燃料处理器化学反应过程的一阶惯性环节（T f=5 s）后生成氢气流量
2
in医用蛆虫
H
q，再根据氢
氧比率r HO得到氧气流量
2
in
O
q，氢气和氧气流量单位为mol/s。p H2、p O2和p H2O是氢气、氧气和水蒸气的压力，atm；E0、ηohm、ηact和ηcon分别为电池单元标准电动势、欧姆极化损失、活化极化损失和浓度极化损失，V。上述变量的公式推导见参考文献[5,10,16]。若采用定燃料输入流量控制，仅须删掉图1中虚线部分，氢
气和氧气流量为给定常量。
图1 固体氧化物燃料电池仿真模型
Fig.1 SOFC simulation model
1.2 SOFC特性分析
定燃料输入流量和定燃料利用率两种控制方式下的稳态特性（V-I特性和P-I特性）如图2所示，参数见附录A。定燃料输入流量方式下，SOFC的V-I特性呈非线性，两端电压下降明显，其输出功率在电流增加到600 A时达到峰值。定燃料利用率方式下，电池电压随电流的增加逐渐减小，输出功率则随电流的增加呈上升趋势，实际运行中SOFC 的输出功率和电压需相互匹配。根据图1所建立的SOFC模型在两种控制方式下的V-I和P-I曲线与文献[9]中曲线的变化趋势一致，可见本文的SOFC模型能有效和正确地反应燃料电池内部特性。
进一步分析负荷电流改变时，SOFC的动态特性。图3为t=50 s时负荷电流从300 A增加到500 A 时，SOFC的输出电压、功率、输入氢气和氧气流量的变化曲线。当负荷电流发生阶跃变化时，氢气和氧气流量则需约15 s达到新的稳态值；而燃料电池电压和功率变化比较缓慢，需要接近200 s才能完全达到稳态值，但是在20 s多后电压和功率变化已经很小。
- 122 - 电力系统保护与控制
V f c /V
I /A
P /k W
I /A
(b) SOFC 的开环P-I 特性曲线
(a) SOFC 的开环V-I 特性曲线
图2 两种运行方式下SOFC 的开环V-I 和P-I 特性曲线
Fig. 2 V-I and P-I characteristics of open-loop SOFC at two
different operation modes
245.0240.0235.0230.0225.0220.0215.0210.0205.0
U /V
V fc
P /k W
1.101.00
0.900.800.700.60
q /(m o l /s )
t /s
(c) 氢气氧气输入流量
图3 电流发生阶跃变化时SOFC 的反应特性(+200A) Fig. 3 SOFC response to stepwise current change (+200A)
2 SOFC 发电系统整体模型及控制
SOFC 发电系统整体模型如图4所示，由SOFC 模块、BOOST 变换器、DC/AC 逆变器、蓄电池、双向DC/DC 变换器和滤波器6个部分构成。根据燃料电池的电化学特性，燃料电池输出低压直流电，
而且输出电压随着负荷或温度的变化具有较大变化范围[18]，因而后级采用BOOST 直流变换电路，以满足逆变器稳定运行所需的直流母线电压。由前述分析可知燃料电池的功率调节速度慢，不能承担快速负荷变化，为此在SOFC 系统直流侧并联蓄电池，利用双向DC/DC 变换器实现储能蓄电池的充放电控制。SOFC 模块和蓄电池经同一逆变器并入交流电网，LC 滤波器用于滤除高频电压谐波。 2.1 BOOST 变换器控制视讯系统
由图4可见BOOST 变换器的控制系统，直流电压偏差信号经PI 环节再由PWM 调制后，得到占空比控制功率开关S fc 动作。图5为BOOST 变换器的闭环传递函数框图[19-20]，电压反馈控制函数G c (s )采用PI 滞后补偿，得BOOST 变换器控制系统的开环传递函数为
塑胶面板
（1） 式中：D =1－V fcN /V dcN 为额定运行状态下BOOST 变换器的占空比（下标N 表示额定值）；L 和C 分别为输入电感和输出电容；R 为负载等效电阻；V m =1.0
为PWM 调制器的锯齿波幅值；k p 和k i 为PI 补偿环节参数。取R =6.4 Ω（详细参数见附录B ），作BOOST 变换系统的开环传递函数相位裕量和增益裕量随k p 和k i 变化的曲线（图6）。图中A 、B 点分别对应于增益裕量G m =10 dB 和相位裕量P m =45°，由图可见相位裕量和增益裕量随k p 和k i 增加基本呈上升趋势，仅图6（a ）中相位裕量在k p =0.083时出现峰值
C 点后开始下降。系统稳定裕度较小时将导致较大
超越量和调节时间，本文模型中取k p =0.08和k i =2以保证直流变换具有足够的相位和增益裕量。
消防稳压系统周念成，等 固体氧化物燃料电池发电系统建模与控制 - 123 -
图4 燃料电池整体系统结构图 Fig. 4 Structure of SOFC generation system
图5 BOOST 变换器闭环系统框图
Fig. 5 Block diagram of the control loop for the BOOST
converter
图6 相位裕量和增益裕量随k p 和k i 变化曲线 Fig. 6 Bode plot of phase margin and gain margin changing
with k p and k i
2.2 双向DC/DC 变换器控制
蓄电池作为快速响应电源通过双向DC/DC 变换器在直流母线侧与燃料电池并联，以提高SOFC 系统的功率调节速度。双向DC/DC 变换器拓扑结构为半桥型两象限直流变换结构（图4），充电时直流变换器处于Buck 工作模式，功率开关S up 关断、S down 工作；放电时变换器处于Boost 工作模式，功率
开关S
dowm 关断、S up 工作。
双向DC/DC 变换器目标为保证直流母线电压满足逆变要求，采用电压反馈PI 补偿控制，参数选取方式与2.1节相同。蓄电池的充放电频率与运行寿命关系密切，本文研究中采用直流母线电压滞环充放电控制策略[21]，能减少冗余的充放电次数，提高系统整体寿命。图7为电压滞环充放电模式控制框图，其中低通滤波环节时间常数T u 设置为0.02 s 。
图7 电压滞环充放电控制框图
Fig. 7 Control block of voltage hysteresis-control strategy
2.3 DC/AC 逆变器控制
为满足SOFC 整体系统在微网的并网和孤岛两种模式中正常运行和平滑切换，DC/AC 逆变器采用V/f 下垂控制，其下垂特性可用数学表达式表示为
- 124 - 电力系统保护与控制
00dg 00dg ()()
f f a P P E E b Q Q =−−=−− （2）
式中：P 0和Q 0分别为初始输出有功和无功功率；E 0为PCC 节点的初始电压；a 、b 为下垂系数。V /f 下垂控制通过检测自身输出功率与给定功率比较，再根据下垂系数得到电压频率和幅值的指令值，由此实现DG 间有功和无功功率的自动分配。通过合理设置下垂系数以保证SOFC 系统在不同运行状态下输出电压幅值和频率均在较小范围内变化。图4中电压合成环节将得到的电压幅值参考量E 和频率参考量f ，按照E m =E ，ω=2πf 得到电压参考值：
aref m bref m cref m sin()sin(120)sin(120)u E t u E t u E t ωωω⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=+°⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥−°⎣⎦⎣⎦
（3） 逆变器外部为功率控制环，内部采用电流内环
和电压外环双闭环控制，控制模块中包含重连同步环节，作用于孤岛微网与大电网重连阶段。同步环节将PCC 节点两侧电压幅值差ΔV 和相位差Δδ输入作为孤岛到并网同步过程的修正信号，经过PI 调节后叠加到下垂控制环节的输出量E 和f 以实现同步[22]。
3 仿真分析
在PSCAD/EMTDC 中建立图8
所示的微网模型（参数见附录），其中SOFC 发电系统为微源，BESS 为储能元件。对所建的微网模型进行并网和孤岛以及两种模式间切换的动态仿真。
图8 微网模型 Fig. 8 Micro grid model
微网在t =6 s 时由并网切换到孤岛，孤岛模式下由SOFC 提供电能，蓄电池通过双向DC/DC 变换器自动充放电，两者配合实现保证本地负荷的稳定供电；t =7.7 s 时开始将PCC 微网侧电压幅值、相位和大电网侧电压幅值、相位同步，t =8 s 时微网由孤岛回到并网模式。
图9反映了SOFC 发电系统从t =6 s 断开与大电网连接到t =8 s 重新接入大电网过程中输出功率变化情况。并网时微网的本地负荷从大电网吸收部分
功率，因此断开联系后SOFC 发电系统输出的有功和无功功率增加。微网运行模式切换时系统频率变化如图10所示。孤岛运行时，SOFC 电池堆和蓄电池相互配合保证了孤岛微网的稳定运行，微网频率
根据有功增量和下垂系数小幅减小；重连同步时，由于PCC 两侧相角差Δδ初始值为负值，同步过程初期出现了短时的频率降落。
50.045.040.035.030.025.020.015.010.05.00.0
Pdg
Qdg
P /Q (k W /k v a r )
4.5 6.07.59.0
10.512.013.5
15.0
t /s
图9 微源输出功率
Fig. 9 Output power of micro source
52.0051.0050.0049.0048.0047.0046.00
f
f /H z
4.5
烷基铝
6.0
7.5
9.0
10.512.0
13.5
15.0
t /s
图10 并网与孤岛切换过程系统频率响应
Fig. 10 Frequency response when switching from islanding
mode to grid-connected mode
图11中t =6 s 时微网转换到孤岛模式，由于SOFC 功率响应速度较慢不能快速跟踪负荷变化，BESS
转入放电状态补偿功率缺额。当t =8 s 时微网转换至并网模式，同时BESS 转入充电状态吸收多余的功率，约15 s 后SOFC 输出功率稳定降至15 kW ，蓄电池停止充电。图12中PCC 微网侧电压经0.3 s 的同步过程后与PCC 大电网侧电压相位和幅
40.030.020.010.00.0-10.0Pfc P /k W
5.0
10.0
15.0
客房预定20.0
25.0
30.0
t /s
-20.0
Pbattery
图11 蓄电池、燃料电池和直流母线功率 Fig.11 The active power of BESS, SOFC and DC bus
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