氫能發(fā)電機空氣供給系統(tǒng)變頻控制技術(shù)初探陳海清（解放軍理工大學工程兵工程學院，江蘇南京210007）理的基礎(chǔ)上，提出了基于PEMFC氫能發(fā)電裝置空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)采用交流感應電機和矢量控制變頻調(diào)速技術(shù)。通過比較矢量控制的幾種方案，提出采用間接轉(zhuǎn)子磁場定向電流注入型感應電機矢量控制方案，并對其進行了仿真研宄。：質(zhì)子交換膜燃料電池；氫能發(fā)電；變頻調(diào)速；由于傳統(tǒng)能源資源有日趨耗盡之勢，特別是近年來環(huán)境污染對人類可持續(xù)發(fā)展的影響，無污染、高效率的新能源發(fā)電技術(shù)及其研究在世界范圍內(nèi)受到高度重視。燃料電池被公認為是繼火電、水電和核電之后的第四代新型電源，它采用氫為燃料，氧氣或空氣為氧化劑，通過電化學反應直接將氫能轉(zhuǎn)化為電能（故稱為氫能發(fā)電裝置），具有清潔高效的特點。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是一種以聚合物質(zhì)子膜作為電解質(zhì)的燃料電池，因其工作溫度低、噪聲小、無煙氣排放等特點，成為21世紀最佳的電動車電源而受到各界高度關(guān)注，并己在國內(nèi)外掀起研發(fā)和應用熱潮?？諝膺M給系統(tǒng)作為PEMFC氫能發(fā)電裝置的關(guān)鍵組成部分，己成為PEMFC氫能發(fā)電技術(shù)應用研究的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。

　　目前氫能發(fā)電機的空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)多數(shù)采用直流電機帶動送風機將空氣送入燃料電池電堆，雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計容易，但電機容量必須按發(fā)電系統(tǒng)的最大需風量設(shè)計，使給氣系統(tǒng)的功率始終接近最大值，導致空氣供給系統(tǒng)功耗大，發(fā)電系統(tǒng)成本高且維護量大，對穩(wěn)壓閥的要求也很高，極大地降低了發(fā)電系統(tǒng)的整體性能，并影響PEMFC電堆本體的壽命，成為阻礙氫能發(fā)電系統(tǒng)實用化的重要障礙之一。由于直流電機在結(jié)構(gòu)上存在機械換向器，使其具有一些致命的缺點，如維護困難，壽命短，造價較高，單機容量和最高電壓也受到一定限制，特別是直流電機換向時產(chǎn)生的火花可能危及氫能發(fā)電站的安全。相反，感應電機轉(zhuǎn)子側(cè)的電流由電磁感應產(chǎn)生，沒有換向器，結(jié)構(gòu)簡單牢固、體積小、重量輕、工作可靠、維護方便、價格低廉、可工作在惡劣環(huán)境、技術(shù)成熟等優(yōu)點，因此采用感應電機代替以往的直流電機驅(qū)動風機并采用變頻調(diào)速控制構(gòu)成氫能發(fā)電機空氣進給驅(qū)動系統(tǒng)，成為氫能發(fā)電系統(tǒng)實用化、產(chǎn)品化應用研究的一個重要方向。

　　1感應電機變頻調(diào)速的原理及控制方式1.1感應電機變頻調(diào)速原理感應電機轉(zhuǎn)速的一般表達式為：f電源頻率；s轉(zhuǎn)差率；p極對數(shù)；由上式可知：異步電機的轉(zhuǎn)速n與電源頻率/、轉(zhuǎn)差率s、極對數(shù)p等三個參數(shù)有關(guān)。改變?nèi)我粎?shù)都能實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但變極調(diào)速是有級調(diào)速，而以改變轉(zhuǎn)差率s為目的的各種調(diào)速方法，如定子調(diào)壓調(diào)速、電磁調(diào)速、轉(zhuǎn)子變電阻調(diào)速都是耗能型調(diào)速方法，只有變頻調(diào)速是最為理想的調(diào)速方法。變頻調(diào)速通過改變電源頻率/來調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，只要均勻改變輸入交流電機的電源頻率就可以均勻平滑地改變電動機的轉(zhuǎn)速。

　　這就是變頻調(diào)速的基本原理。變頻調(diào)速的優(yōu)點是：效率高、應用范圍廣、調(diào)速范圍大、對于低負載運行時間較多或起停運行較頻繁的場合，可以達到節(jié)電和保護電動機的目的。

　　1.2變頻調(diào)速的控制方式對于氫能發(fā)電機空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)來說，給氣量的多少直接影響氫能發(fā)電裝置發(fā)電量，為了使氫能發(fā)電裝置空氣供給系統(tǒng)給氣量滿足氫能能發(fā)電機空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)電機進行調(diào)速控制。

　　感應電機雖具上述優(yōu)點，但是，感應電機調(diào)速比較困難，所以早期的應用主要是采用調(diào)壓調(diào)速、電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速、繞線式感應電機轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速和串級調(diào)速等，這些調(diào)速方法的效率都很低，而且應用場合有限。感應電機高效的調(diào)速方法主要是變頻調(diào)速，它不但能實現(xiàn)無級調(diào)速，而且可根據(jù)負載特性的不同，適當調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系，使電機始終工作在高效區(qū)，并保證良好的動態(tài)性能。此外，感應電機采用變頻起動能顯著改善起動性能，大幅度降低起動電流，并加起動轉(zhuǎn)矩，因此變頻調(diào)速是一種理想的感應電機調(diào)速方法。對氫能發(fā)電機空氣供給驅(qū)動系統(tǒng)感應電機采用交流變頻調(diào)速的控制方法，則供氣量可較好地滿足上述要求。交流變壓變頻技術(shù)自20世紀6、70年代獲得突破性進展以來，一直受到人們的高度重視，并不斷發(fā)明控制性能更佳的新的控制方法。交流變頻技術(shù)按其控制方式可分為以下3種：開環(huán)恒壓頻比控制（V/f控制）變頻調(diào)速最初的控制方法為V/f控制，即轉(zhuǎn)速開環(huán)恒壓頻比控制，這種控制方案結(jié)構(gòu)簡單、成本低，比較適合對調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能要求不高的場合。此后，出于對轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的要求，國內(nèi)外學者提出了轉(zhuǎn)差頻率控制，從而可通過控制轉(zhuǎn)差頻率間接控制轉(zhuǎn)矩。但是，這種控制方法以感應電機穩(wěn)態(tài)等效電路和轉(zhuǎn)矩公式為基礎(chǔ)，故只在穩(wěn)態(tài)情況下成立，而在轉(zhuǎn)速快速響應的動態(tài)過程中，由于存在很大的瞬態(tài)電流，所以電機的動態(tài)轉(zhuǎn)矩和穩(wěn)態(tài)之間會有很大的差別，因此這種控制方法僅適應于轉(zhuǎn)速變化緩慢的場合：1415.為了解決在動態(tài)過程中控制電機轉(zhuǎn)矩這一問題，國內(nèi)外學者進行了深入的研究，并提出了更有效的控制方案。

　　發(fā)機發(fā)電量釀荷變化而變化的要求，必須觸嬪制又稱被為磁場定向控制矢量控制技術(shù)實現(xiàn)虹ne1矢量控制即用矢量變換的方法研究電機的動態(tài)控制過程，就是把磁場矢量的方向作為坐標軸的基準方向，并根據(jù)磁動勢等效原則，利用坐標變換將定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，實現(xiàn)交流電機磁通和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，使交流電機獲得等效于他勵直流電機的控制性能，故矢量了交流電機轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)矩的解耦控制，從而可以按直流電動機的控制規(guī)律來控制交流電動機，克服了古典交流調(diào)速變極、變壓、轉(zhuǎn)子回路串電阻等有級調(diào)速的缺點，彌補了初期恒壓頻比（V /f）控制和轉(zhuǎn)差頻率控制的不足，使交流傳動系統(tǒng)的動態(tài)性能有了顯著的改善，開創(chuàng)了交流傳動的新紀元。矢量變換涉及大量的數(shù)值運算，主要包括坐標變換、矢量運算以及非線性的復雜運算如果用模擬電路來實現(xiàn)，其設(shè)計、制造和調(diào)試都很麻煩，有些計算功能根本無法實現(xiàn)。隨著微控制器的發(fā)展與應用，這一難題得到了解決，采用軟件實現(xiàn)矢量控制算法，使硬件電路規(guī)范化，不僅可降低成本，還提高了可靠性。早期用于電機的微處理器主要是80C196MC系列單片機，它具有豐富的硬件和軟件資源，可進行實時控制，但當需要大量數(shù)據(jù)計算處理或浮點運算對快速要求較高時則能力不足。為了進一步提高運算速度，20世紀80年代初出現(xiàn)了數(shù)字信號處理（DSP），這是一種運算能力很強的芯片，其片內(nèi)外設(shè)資源豐富，可使調(diào)速系統(tǒng)的外圍電路少、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高，易于從硬件上實現(xiàn)整個控制。

　　這種控制技術(shù)和矢量控制技術(shù)的不同在于：它不需要把電機的定子電流分解為勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，而只是通過控制PWM型逆變器的切換方式來控制電機的瞬時輸入電壓，從而實現(xiàn)直接控制轉(zhuǎn)矩和定子磁通的目的。直接轉(zhuǎn)矩控制不需要復雜的坐標變換，而且對定子磁通控制也只涉及到定子電阻，因而對電機參數(shù)的依賴性大大減弱了。這種方法因其控制思想新穎、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔明了而得到了迅速的發(fā)展。