基于氢电耦合的PEM电解槽建模研究及变换器设计

作     者：张杨 

作者单位：北方工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张贵辰;刘坤

授予年度：2024年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：氢电耦合 PEM电解槽 机理建模 四相交错并联Buck 制氢电源控制策略 

摘      要：氢电耦合是实现“双碳目标的重要途径之一,由于氢能具有燃料可再生、生成物无污染、能量密度高等优点,所以氢能与可再生能源的多能互补系统既可以从源头减少碳排放,同时可以提高可再生能源的消纳率。质子交换膜(Proton Exchange Membrane,PEM)电解槽及其制氢电源为氢电耦合的核心部件,本文在研究PEM电解槽特性的情况下,对PEM电解槽的机理建模、变换器拓扑结构与控制策略展开研究,主要研究内容如下: PEM电解槽作为制氢电源负载,其特性对制氢电源的设计起决定具性作用,本文从PEM电解槽结构出发分析PEM电解槽使用寿命与制氢效率,并考虑电化学、热力学、流体动力学和电学的交叉耦合,对PEM电解槽内部多物理过程和动态特性进行机理建模,在此基础上分析电流纹波与制氢效率之间的数学关系,改进了电解槽制氢效率模型的计算方法,对不同幅值与频率的纹波电流输入进行测试,结果表明电流纹波系数与制氢效率具有负相关关系,而纹波频率不影响制氢效率,建立了可与电力电子电路连接的PEM电解槽半实物仿真平台,为研究高效制氢电源变换器及其控制策略提供了理论依据。 根据PEM电解槽特性,对制氢电源提出了低压大电流、低纹波、高效率、低电磁干扰等设计要求,同时提出了同步四相交错并联Buck制氢电源方案,针对PEM电解槽的动态特性、制氢特性以及交错并联电路的不均流问题,制定了电解槽电压启动、电解槽电流控制与四相电感电流均流控制的控制策略,通过对电路和PEM电解槽动态模型一起进行小信号分析的方式,推导出制氢电源与电解槽系统的传递函数,设计了合理的补偿网络对控制目标进行校正,结合PEM电解槽动态精确数学模型进行仿真验证,结果表明本文所提制氢电源方案、控制策略与控制器能够满足可再生能源与PEM电解槽制氢的需求。 为验证四相交错并联Buck制氢电源方案与控制策略的可行性,本文研制了15k W制氢电源样机,进行了开关选型、电容电感、驱动电路、采样电路与预充电电路的硬件设计与调试,以及基于DSPTMS320F28377D处理器的主循环、主中断和电压电流闭环程序设计。实验结果表明四相交错并联Buck制氢电源具有低压大电流、低纹波、高效率等优势,针对电解槽特性的电压启动、电流及均流控制不仅能实现精确控制,并且抗干扰能力强,具有良好的快速性与鲁棒性,高度匹配氢电耦合的可再生能源与PEM电解槽制氢的应用场景,为PEM电解槽制氢提供了稳定、高效的制氢电源解决方案。