摘要：研究了用于氫電解槽的數字控制電力電子模塊。提出以光伏作為主要能源，以分布式發電的方式進行氫氣制備的系統架構，并對系統負載電解槽進行了小信號建模。在此基礎上設計了雙相降壓數字電力電子模塊，將光伏輸出進行電平與功率的匹配供給氫電解槽使用。系統采用dsPIC33FJ64GS606數字信號控制器實現系統閉環電流模式控制和光伏最大功率追蹤。實驗結果表明系統達到了預期的效果。
關鍵詞：電力電子模塊；光-氫轉換；分布式系統；數字控制

1 引言
隨著以氫氣為能源的質子交換膜燃料電池逐漸應用于靜止發電裝置與車載動力系統，氫能優勢逐漸顯現。最近的研究也表明，利用高分子聚合物可有效儲氫，有望解決未來氫能源的存儲與運輸問題。而在傳統意義上，氫氣制各被認為是一種高能耗過程。
太陽能取之不盡，用之不竭，若能高效利用太陽能分解水來制備氫氣，則可將光能轉換為清潔的化學能，成為光．氫儲能過程。此處提出基于分布式概念的制氫系統架構，對其中關鍵的光伏模塊化供電技術進行深入探討，包括氫電解槽小信號建模，雙相降壓變換器的建模，底層數字控制系統設計，及最大功率追蹤實現。實驗結果表明，單電力電子模塊的性能達到了預期效果。

2 制氫系統架構
傳統制氫工業普遍采用晶閘管整流方法獲得高壓直流電供給電解槽；而電解槽基本單元的電壓較低(約2 V)，傳統解決方案下必須進行多單元串聯設計。由于制造過程不能保證每個單元的一致性，串聯通路中任何一單元的工作狀態直接會影響到整個系統性能。光伏作為僅需一次投資的免費能源，普遍以低壓電池板形式存在，可與低壓電解槽進行電平匹配。研究中利用太陽光伏作為輸入能源，提出直流供電網絡的太陽能制氫系統架構，如圖1所示。

分布式太陽能制氫系統主要包括3部分：輸入電源(光伏電池與儲能裝置)、電力電子模塊(雙相降壓變換器)和負載(電解槽)。系統采用多電力電子模塊供電方式：連接光伏的模塊進行光伏最大功率追蹤，以電流源形式并入直流供電網絡；連接儲能裝置的模塊以電壓源形式并入直流供電網絡，作為保持系統功率平衡的能量緩沖單元(實驗環節中用直流電壓源代替)。分布式制氫系統設計優點在于分布式模塊化供電，相對于光伏串聯的高壓系統可靠性大大增加；并且大大降低了電解槽設計的復雜度。

3 堿性電解槽建模
電解水的方式有多種，常用方法有堿性電解槽，質子交換膜電解槽和固體氧化物電解槽。堿性電解槽制造成本與工藝要求較低，運行溫度接近室溫，故研究中選擇堿性電解槽作為電解水設備。
常用的電解槽數學模型如下：
U=Urev+rI／A+slog(tI／A+1) (1)
式中：U為電解槽端直流電壓，Urev為其反電動勢；r為與電解質相關的歐姆電阻參數；A為電極的面積；s，t為相關的過電壓系數。
研究表明，溫度對電解槽的端口特性也有較大影響。為簡化電解槽模型，根據電解槽生產廠家數據，在推薦溫度(40℃)下對電解槽進行了靜態特性測試，在電解槽任意靜態工作點可定義等效電阻Req=△U／△I。由于Req的計算是基于任意靜態工作點，故Req為電解槽小信號模型。在電解槽額定工作點附近取多點進行計算，并做平均。算得電解槽在額定電壓電流下等效串聯電阻為0．14 Ω。