5kW燃料电池分布式并网发电系统设计
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定 稿 日 期 ：2009-08-24 作者简介：朱选才（1980-），男，博 士 研 究 生 ，研 究 方 向 为 燃 料
电池发电系统应用技术。
24
级结构两种。相对于多级并网发电系统，单级系统最 大的优势是结构简单。 但是单级系统中逆变器输入 侧直接接到燃料电池的输出， 对燃料电池的输出电 压等级要求较高。另外，由于燃料电池输出电压随负 载的变化而大范围地变化， 这将增加并网逆变器及 其控制部分的设计难度， 对功率器件应力也有更高 要求。 而多级系统首先通过一级 DC/DC 变换稳定逆 变器的输入电压，将燃料电池输出电压提升、变换为 稳定的逆变器输入电压，使得并网逆变器的设计、控 制可以采用成熟的技术，从而降低了系统设计成本， 因此这里选择了多级结构。同时，为了补偿燃料电池 动态响应方面的不足， 配置了一个能量管理单元用 于提供负载功率中的高频成分。
GHPF（s）为 高 通 滤 波 器 ，GHPF（s）=s/（s+1/2 ） GPWM 为 PWM 调制器；C1（s）为电流控制器；C2（s）为电压控制器
图 4 能量管理控制框图
忽略图 4 系统控制框图中限流环节后， 可得到 系统带能量管理单元的控制信号流图，如图 5 所示。
Gid（s）为占空比 d 到 iBi 的传递函数；Gvi（s）为 iBi 到 uCs 的传递函数 GC_loop（s） 为 电 流 控 制 内 环 闭 环 传 递 函 数 图 5 能量管理单元控制信号流图
这里期望燃料电 池 输 出 电 流 IFC 只 跟 踪 负 载 电 流 io 的低频变化， 高频成分由能量管理单元检测并
25
第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.10 October，2009
提供，根据燃料电池输出特性，最终选择高通滤波器 转折频率为 1/3 燃料电池频率。
所设计的燃料电池分布式并网发电系统结构如 图 1 所示。 通过前级 DC/DC 变换器提升燃料电池输 出电压，并为燃料电池与电网之间提供电气隔离。逆 变器将前级 DC/DC 变换器输出的稳定 直 流 电 转 换 为交流电供给本地负载同时并网发电。 采用超级电 容 Cs 与双向 DC/DC 变换器（Bi-DC/DC 变换器）构成 能量管理单元，并联到燃料电池输出端。
图 1 燃料电池分布式并网发电系统结构
5 kW 燃料电池分布式并网发电系统设计
整个系统主电路结构如图 2 所示。 前级 DC/DC 变换器采用 ZVS 移相全桥电路，通过两个次级变压 器绕组和两个全桥整流电路得到两路输出直流电压 为逆变器供电。单相逆变器采用半桥结构，通过一个 LCL 滤 波 器 与 电 网 相 连 。 Cs 通 过 一 个 交 错 并 联 Buck-Boost 电路连接到燃料电池输出端， 为整个系 统提供动态能量缓冲。
够的谐波衰减能力，使得并网电流波形满足分布式
并 网 发 电 系 统 标 准 IEEE STD.1547-2003[2]的 要 求 。
LCL 并网滤波器可以满足独立运行功能， 而且相对
于单电感 L 型滤波器在高频段有更大的谐波衰减能
力，因此系统选用 LCL 滤波器。
因为 LCL 滤波器具有三阶系统特性，更易引起
逆变器主要参数为： 输出电压及电网电压均为有效
值 220 V/50 Hz； 两 个 滤 波 电 感 1.5 mH， 滤 波 电 容
7 μF；开关频率 16 kHz。 能量管理单元主要参数为：
超级电容 33.3 F，工作电压范围 50～85 V；采用耦合
电感，电感量为 4.5 μH，耦合系数 0.25；高频滤波电
率因数 λ 变化曲线。 由图可见，ig>10 A 时，并网输出 电流的 THD<5％，并网功率因数 λ≈1。
4 实验结果
样机系统采用质子交换膜燃料电池， 氢气压力 0.14 MPa，输出电压范围 80～115 V。 前级 DC/DC 变 换 器 主 要 参 数 为 ： 输 出 电 压 ±375 V ； 变 压 器 变 比
第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.10 October，2009
5 kW 燃料电池分布式并网发电系统设计
朱选才， 沈国桥， 徐德鸿 （浙江大学， 浙江 杭州 310027）
摘要：介绍了 5 kW 质子交换膜燃料电池分布式并网发电系统 的 结 构 设 计 ，重 点 介 绍 了 系 统 中 基 于 加 权 平 均 电 流 反
当选择 β＝1－α 时，可将加权电流反馈控制函数简化
为一阶系统传递函数：
Gi12（s）=
i12（s） ui（s）
=
1 Ls
（2）
为了提高并网输出电流幅值精度， 在电流控制
环中也加入了有功、无功电流幅值控制外环。
图 2 系统主电路结构
3 系统控制设计
在燃料电池分布式并网发电系统中，前级 DC/DC
变换器采用电压反馈控制，控制直流母线电压。逆变
容 50 μF；开关频率 25 kHz。 样机系统容量为 5 kW。
图 6 所示为系统独立运行时输出结果， 其中
1引言
燃料电池发电系统以其功率密度大、效率高、噪 音低、环保、适应性强，不受地域、气候限制等特点， 在一些需要高功率密度和高效率电源的应用领域， 如交通、通信、计算机网络、航空航天、国防等，有着 良好的发展前景[1]。
燃料电池产生的是电压范围变化很大的直流电 能， 而燃料电池分布式并网发电系统要求输出的是 一个交变的电能， 因此在燃料电池分布式并网发电 系统中， 需要采用电力电子变换电路实现由不稳定 直流电能向稳定交流电能的转化。另外，燃料电池的 功率变化响应速度较慢， 应考虑由储能装置来提供 负载动态变化时的短时能量。
器工作于独立运行模式时，采用电压反馈双环控制，
内环控制输出电压瞬时波形， 外环控制输出电压有
效值。其控制器设计与常见的电压控制器差别不大，
限于篇幅，这里不做详细介绍。
3.1 基于加权平均电流反馈的并网电流控制
在所述燃料电池发电系统中， 设计并网滤波器
必须兼顾两方面要求：①必须使得逆变器能够工作
于并网逆变和独立运行两种工作模式；②需要有足
适当的 β，可使得其中两对零、极点接近或抵消，使
被控制系统降阶为一阶系统， 控制器的设计不再受
极点峰值增益的限制，从而可选择较大的比例增益。
图 3 并网电流反馈控制框图
3.2 能量管理单元设计 能量管理单元控制框图如图 4 所示。 整个能量
管理控制环节由电流控制内环， 电流高频分量检测 环节和电压控制外环组成[5]。在设计控制环时应使电 压控制外环的带宽比电流高频检测环节通带宽窄很 多，而后者又比电流控制内环带宽窄很多。在负载稳 定时，电流参考值 iBiref 近似为零，由电压控制外环产 生充电电流 ichg 作为电流控制内环电流参考值，将超 级 电 容 电 压 uCs 控 制 在 参 考 值 uCsref； 而 在 负 载 突 变 时，由于外环反应慢，主要由电流高频检测环节和电 流控制内环发挥作用，使 Bi-DC/DC 变换器的输出电 流 iBi 跟 踪 负 载 电 流 的 高 频 分 量 iBiref，为 燃 料 电 池 提 供缓冲。
馈的并网电流控制和能量管理设计，通过实验对设计进行了验证。 实验结果表明，该系统可以很好地工作于独立运
行和并网运行两种状态，在负载突变时，能量管理单元可以给燃料电池提供动态功率缓冲，保障电池工作安全。
关键词：燃料电池； 发电 / 分布式并网发电； 能量管理
中 图 分 类 号 ：TM911.4
文 献 标 识 码 ：A
输出振荡[3]。 针对 LCL 滤波并网逆变系统电流控制
时的稳态误差和谐波抑制问题，采用将 LCL 滤波器
电容分裂并取中间电流作反馈控制的新方法， 即并
网电流控制为加权平均电流反馈控制[4]。在并网电流
控制反馈中加入部分电容电流值，等效为分裂电容，
如图 3 所示， 加权电流反馈值到逆变100X（2009）10-0024-03
Design of a 5 kW Distributed Grid-connected Fuel Cell Power System
ZHU Xuan-cai， SHEN Guo-qiao， XU De-hong
（Zhejiang University， Hangzhou 310027， China） Abstract：The design of a 5 kW distributed grid-connected proton exchanged membrane （PEM） fuel cell power system is introduced.The system structure and main circuit configuration are given.Then the control design based on weighted average current feedback for grid current control and the design of the energy management unit are introduced.Finally，the experimental results upon a prototype are given to verify the design.From the experimental results，we know that the proposed system can operate well under both stand-alone and grid-connected modes.The fuel cell safety can be guaranteed by the energy management unit by compensating the dynamic power during load transition. Keywords：fuel cell； power generation / distributed grid-connected electricity generation； energy management Foundation Project：Supported by National High Technology Research and Development of China 863 Program （No. 2007AA05Z243）；Delta Power Electronics Science and Education Foundation，and Specialized Research Foundation for the Doctoral Program of Higher Education of China（No.J20070715）
介绍了一个 5 kW 燃料电池分布式并网发电系 统的设计， 重点介绍了基于加权平均电流反馈的并 网电流控制和带超级电容的能量管理单元设计。
2 系统结构
常见的燃料电池发电系统结构有单级结构和多
基 金 项 目 ：国家高技术研究发展计划 863 项目( 2007AA05Z243）； 台达电力电子科教发展基金及国家博士点基金项 目 （J20070715）
图 8 示出能量管理单元不工作和工作情况下， 燃料电池并网发电系统突加和突减负载时的输出电 流 iac、输出电压 uac 和燃料电池输出电流 IFC 波形。
4∶23∶23；初 级 等 效 漏 感 0.45 μH，作 为 谐 振 电 感 ；滤
波电感 710 μH，滤波电容 1.36 μF；开关频率 100 kHz。
Gi12（s）=
（1－β）（1－α）（L1＋L2）（C1+C2）s2+1 α（1－α）（L1＋L2）2（C1+C2）s3+Ls
（1）
式 中 ：α 为 电 感 加 权 系 数 ，α＝L1/（L1＋L2）；β 为 电 容 电 流 加 权 系
数 ，β＝C1/（C1+C2）。
式（1）的传递函数有 3 个极点和 2 个零点。选择
电池发电系统应用技术。
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级结构两种。相对于多级并网发电系统，单级系统最 大的优势是结构简单。 但是单级系统中逆变器输入 侧直接接到燃料电池的输出， 对燃料电池的输出电 压等级要求较高。另外，由于燃料电池输出电压随负 载的变化而大范围地变化， 这将增加并网逆变器及 其控制部分的设计难度， 对功率器件应力也有更高 要求。 而多级系统首先通过一级 DC/DC 变换稳定逆 变器的输入电压，将燃料电池输出电压提升、变换为 稳定的逆变器输入电压，使得并网逆变器的设计、控 制可以采用成熟的技术，从而降低了系统设计成本， 因此这里选择了多级结构。同时，为了补偿燃料电池 动态响应方面的不足， 配置了一个能量管理单元用 于提供负载功率中的高频成分。
GHPF（s）为 高 通 滤 波 器 ，GHPF（s）=s/（s+1/2 ） GPWM 为 PWM 调制器；C1（s）为电流控制器；C2（s）为电压控制器
图 4 能量管理控制框图
忽略图 4 系统控制框图中限流环节后， 可得到 系统带能量管理单元的控制信号流图，如图 5 所示。
Gid（s）为占空比 d 到 iBi 的传递函数；Gvi（s）为 iBi 到 uCs 的传递函数 GC_loop（s） 为 电 流 控 制 内 环 闭 环 传 递 函 数 图 5 能量管理单元控制信号流图
这里期望燃料电 池 输 出 电 流 IFC 只 跟 踪 负 载 电 流 io 的低频变化， 高频成分由能量管理单元检测并
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第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.10 October，2009
提供，根据燃料电池输出特性，最终选择高通滤波器 转折频率为 1/3 燃料电池频率。
所设计的燃料电池分布式并网发电系统结构如 图 1 所示。 通过前级 DC/DC 变换器提升燃料电池输 出电压，并为燃料电池与电网之间提供电气隔离。逆 变器将前级 DC/DC 变换器输出的稳定 直 流 电 转 换 为交流电供给本地负载同时并网发电。 采用超级电 容 Cs 与双向 DC/DC 变换器（Bi-DC/DC 变换器）构成 能量管理单元，并联到燃料电池输出端。
图 1 燃料电池分布式并网发电系统结构
5 kW 燃料电池分布式并网发电系统设计
整个系统主电路结构如图 2 所示。 前级 DC/DC 变换器采用 ZVS 移相全桥电路，通过两个次级变压 器绕组和两个全桥整流电路得到两路输出直流电压 为逆变器供电。单相逆变器采用半桥结构，通过一个 LCL 滤 波 器 与 电 网 相 连 。 Cs 通 过 一 个 交 错 并 联 Buck-Boost 电路连接到燃料电池输出端， 为整个系 统提供动态能量缓冲。
够的谐波衰减能力，使得并网电流波形满足分布式
并 网 发 电 系 统 标 准 IEEE STD.1547-2003[2]的 要 求 。
LCL 并网滤波器可以满足独立运行功能， 而且相对
于单电感 L 型滤波器在高频段有更大的谐波衰减能
力，因此系统选用 LCL 滤波器。
因为 LCL 滤波器具有三阶系统特性，更易引起
逆变器主要参数为： 输出电压及电网电压均为有效
值 220 V/50 Hz； 两 个 滤 波 电 感 1.5 mH， 滤 波 电 容
7 μF；开关频率 16 kHz。 能量管理单元主要参数为：
超级电容 33.3 F，工作电压范围 50～85 V；采用耦合
电感，电感量为 4.5 μH，耦合系数 0.25；高频滤波电
率因数 λ 变化曲线。 由图可见，ig>10 A 时，并网输出 电流的 THD<5％，并网功率因数 λ≈1。
4 实验结果
样机系统采用质子交换膜燃料电池， 氢气压力 0.14 MPa，输出电压范围 80～115 V。 前级 DC/DC 变 换 器 主 要 参 数 为 ： 输 出 电 压 ±375 V ； 变 压 器 变 比
第 43 卷第 10 期 2009 年 10 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.43 No.10 October，2009
5 kW 燃料电池分布式并网发电系统设计
朱选才， 沈国桥， 徐德鸿 （浙江大学， 浙江 杭州 310027）
摘要：介绍了 5 kW 质子交换膜燃料电池分布式并网发电系统 的 结 构 设 计 ，重 点 介 绍 了 系 统 中 基 于 加 权 平 均 电 流 反
当选择 β＝1－α 时，可将加权电流反馈控制函数简化
为一阶系统传递函数：
Gi12（s）=
i12（s） ui（s）
=
1 Ls
（2）
为了提高并网输出电流幅值精度， 在电流控制
环中也加入了有功、无功电流幅值控制外环。
图 2 系统主电路结构
3 系统控制设计
在燃料电池分布式并网发电系统中，前级 DC/DC
变换器采用电压反馈控制，控制直流母线电压。逆变
容 50 μF；开关频率 25 kHz。 样机系统容量为 5 kW。
图 6 所示为系统独立运行时输出结果， 其中
1引言
燃料电池发电系统以其功率密度大、效率高、噪 音低、环保、适应性强，不受地域、气候限制等特点， 在一些需要高功率密度和高效率电源的应用领域， 如交通、通信、计算机网络、航空航天、国防等，有着 良好的发展前景[1]。
燃料电池产生的是电压范围变化很大的直流电 能， 而燃料电池分布式并网发电系统要求输出的是 一个交变的电能， 因此在燃料电池分布式并网发电 系统中， 需要采用电力电子变换电路实现由不稳定 直流电能向稳定交流电能的转化。另外，燃料电池的 功率变化响应速度较慢， 应考虑由储能装置来提供 负载动态变化时的短时能量。
器工作于独立运行模式时，采用电压反馈双环控制，
内环控制输出电压瞬时波形， 外环控制输出电压有
效值。其控制器设计与常见的电压控制器差别不大，
限于篇幅，这里不做详细介绍。
3.1 基于加权平均电流反馈的并网电流控制
在所述燃料电池发电系统中， 设计并网滤波器
必须兼顾两方面要求：①必须使得逆变器能够工作
于并网逆变和独立运行两种工作模式；②需要有足
适当的 β，可使得其中两对零、极点接近或抵消，使
被控制系统降阶为一阶系统， 控制器的设计不再受
极点峰值增益的限制，从而可选择较大的比例增益。
图 3 并网电流反馈控制框图
3.2 能量管理单元设计 能量管理单元控制框图如图 4 所示。 整个能量
管理控制环节由电流控制内环， 电流高频分量检测 环节和电压控制外环组成[5]。在设计控制环时应使电 压控制外环的带宽比电流高频检测环节通带宽窄很 多，而后者又比电流控制内环带宽窄很多。在负载稳 定时，电流参考值 iBiref 近似为零，由电压控制外环产 生充电电流 ichg 作为电流控制内环电流参考值，将超 级 电 容 电 压 uCs 控 制 在 参 考 值 uCsref； 而 在 负 载 突 变 时，由于外环反应慢，主要由电流高频检测环节和电 流控制内环发挥作用，使 Bi-DC/DC 变换器的输出电 流 iBi 跟 踪 负 载 电 流 的 高 频 分 量 iBiref，为 燃 料 电 池 提 供缓冲。
馈的并网电流控制和能量管理设计，通过实验对设计进行了验证。 实验结果表明，该系统可以很好地工作于独立运
行和并网运行两种状态，在负载突变时，能量管理单元可以给燃料电池提供动态功率缓冲，保障电池工作安全。
关键词：燃料电池； 发电 / 分布式并网发电； 能量管理
中 图 分 类 号 ：TM911.4
文 献 标 识 码 ：A
输出振荡[3]。 针对 LCL 滤波并网逆变系统电流控制
时的稳态误差和谐波抑制问题，采用将 LCL 滤波器
电容分裂并取中间电流作反馈控制的新方法， 即并
网电流控制为加权平均电流反馈控制[4]。在并网电流
控制反馈中加入部分电容电流值，等效为分裂电容，
如图 3 所示， 加权电流反馈值到逆变100X（2009）10-0024-03
Design of a 5 kW Distributed Grid-connected Fuel Cell Power System
ZHU Xuan-cai， SHEN Guo-qiao， XU De-hong
（Zhejiang University， Hangzhou 310027， China） Abstract：The design of a 5 kW distributed grid-connected proton exchanged membrane （PEM） fuel cell power system is introduced.The system structure and main circuit configuration are given.Then the control design based on weighted average current feedback for grid current control and the design of the energy management unit are introduced.Finally，the experimental results upon a prototype are given to verify the design.From the experimental results，we know that the proposed system can operate well under both stand-alone and grid-connected modes.The fuel cell safety can be guaranteed by the energy management unit by compensating the dynamic power during load transition. Keywords：fuel cell； power generation / distributed grid-connected electricity generation； energy management Foundation Project：Supported by National High Technology Research and Development of China 863 Program （No. 2007AA05Z243）；Delta Power Electronics Science and Education Foundation，and Specialized Research Foundation for the Doctoral Program of Higher Education of China（No.J20070715）
介绍了一个 5 kW 燃料电池分布式并网发电系 统的设计， 重点介绍了基于加权平均电流反馈的并 网电流控制和带超级电容的能量管理单元设计。
2 系统结构
常见的燃料电池发电系统结构有单级结构和多
基 金 项 目 ：国家高技术研究发展计划 863 项目( 2007AA05Z243）； 台达电力电子科教发展基金及国家博士点基金项 目 （J20070715）
图 8 示出能量管理单元不工作和工作情况下， 燃料电池并网发电系统突加和突减负载时的输出电 流 iac、输出电压 uac 和燃料电池输出电流 IFC 波形。
4∶23∶23；初 级 等 效 漏 感 0.45 μH，作 为 谐 振 电 感 ；滤
波电感 710 μH，滤波电容 1.36 μF；开关频率 100 kHz。
Gi12（s）=
（1－β）（1－α）（L1＋L2）（C1+C2）s2+1 α（1－α）（L1＋L2）2（C1+C2）s3+Ls
（1）
式 中 ：α 为 电 感 加 权 系 数 ，α＝L1/（L1＋L2）；β 为 电 容 电 流 加 权 系
数 ，β＝C1/（C1+C2）。
式（1）的传递函数有 3 个极点和 2 个零点。选择