基于功率控制器的并網燃料電池建模仿真

楊興超 陳卓 馮謹濤 徐洋濤

關鍵詞：并網 燃料電池 仿真建模 功率控制器

1 引言

一般對燃料電池比較好的理解是一種可以承載某些電化學反應的容器，根據所需燃料的特性可以將燃料電池分為熔融碳酸鹽類（MCFC）、堿性類（AFC）、酸性類（PAFC）、固體氧化物類（SOFC）、質子交換膜類（PEMFC）等[1]。由于燃料電池反應的介質不同，每種燃料電池的反應原理也不同，不過燃料電池共同的特點也比較鮮明，具體為：

（1）燃料電池具有非常高的能量轉換效率，基本上可以達到85% 以上;（2）與燃油發動機等設備相比，燃料電池具有很低的空氣污染率，由于燃料電池大多采用氫含量很高的反應物，所以在CO2 的排放上也是非常友好，若是以純氫作為燃料，那么排放的產物就是水;（3）燃料電池工作的原理是電化學反應，所以具有很少的反應部件。運行高效、安靜、平穩

圖1 是燃料電池反應的原理圖[2]，可以看出氫氣通過燃料電池的陽極分離為氫離子，隨后氫離子進入電解質中，最后經過電化學反應，在燃料電池的陰極產生氧氣和水。整個反應過程中，電子有通過外部導線進行流動最終形成電流[3]。

2 數學建模

該模型基于如下所示的燃料電池堆的等效電路，等效電路的簡化模型如圖2 所示：

3 模型搭建

根據上面的數學分析進行Simulink 建模如下圖4。

4 仿真分析

通過MATLAB 建模參數的確認之后，進行仿真，仿真結果如圖5、6、7、8 所示D/Q 軸電流變化趨勢、三相電壓波形圖、直流電壓側電壓圖。

圖5 可以看出，通過逆變器之后三相電壓變化平滑，電池發電的電壓和電流輸出平穩。電流的波形圖可以看出，三相電流的波形圖具有尖峰，說明逆變器開關具有一定的開關損耗。通過一系列的反應之后，電堆的電壓開始平穩。基本穩定在400V。

5 結語

本文以燃料電池為研究對象，通過分析燃料電池反應物和氫氧含量的輸入條件，電壓為輸出條件進過一系列的數學推導，推導出燃料電池電壓與輸入輸出條件的關系，最后進過逆變器整流并網放電。整個建模過程利用MATLAB 工具箱，仿真精度10-6。模型真實可靠。