直流接入模式下绿氢系统 PEM 电解槽模型仿真验证

PEM（质子交换膜）电解槽作为制氢领域的核心设备，其模型的准确性和可靠性对于制氢系统的设计、运行和优化至关重要。本文通过离线仿真和实时仿真两种方式，对 EasyGo PEM 电解槽模型在直流接入模式的可行性进行全面验证，可为 PEM 电解槽的实际应用提供理论和实践依据。
一、EasyGo PEM 电解槽模型
质子交换膜（Proton Exchange Membrane，简称PEM）是电解槽的核心部件，起到分离产物气体和绝缘电极的作用。
PEM 电解槽利用直流电将水分解为氢气和氧气，EasyGo PEM 电解槽模型输入部分为功率和负载电压，输出包括总电压、总电流、制氢速率、制氢效率以及制氧速率，如图所示。

模型封装参数分为：可调参数和 PEM 电解槽单个电解小室系统参数。

PEM 电解槽单个电解小室系统参数，如下表所示。

二、仿真验证
本文中我们分别用离线模型验证、实时仿真验证两种方式验证了该 PEM 电解槽模块在直流接入模式的可行性，具体验证详情如下。
1、直流接入模式
直流接入模式是指 PEM 模块开放直流接口接入系统拓扑。该模式主要考虑电力电子拓扑中细节控制方面的变化。因此，要在 PEM 等效负载接入拓扑时，保证该负载每个时刻消耗的电压、电流与设定值一致。
其拓扑为 AC/DC-DC/DC 型拓扑，如下图所示：

拓扑中，PEM 等效负载以受控电流源的形式接入，受控电流为 PEM 模块实时计算出来的实际消耗电流。蓝色部分为 AC/DC，绿色部分为 DC/DC。
AC/DC 通过整流将网侧交流电压转换成直流电压，接着通过 DC/DC 拓扑，将 PEM 等效负载的电压控制在 PEM 模块实时计算出来的实际消耗电压值附近，从而形成闭环。
其具体算法如下图所示：

2、离线仿真
给定 PEM 随机功率，等效负载处的电流由 PEM 模块计算实时给出，我们只需观察等效负载的电压与 PEM 模块输出的电压是否一致。
如图所示，当给定值为 5MW 时，PEM 模块计算出的实时电压与测量值相同（重合）；在 5.2 秒左右将给定值调整为 8MW，测量值也能很快跟随。

3、实时仿真
PXIBox 是基于 PXI 总线架构硬件平台的实时仿真产品系列，采用新款多核实时 CPU+多FPGA 硬件架构，既可以做快速原型控制应用，又可以做硬件在环测试，也可以同时一机多用。
将控制模型和拓扑模型分别通过仿真上位机（EasyGo DeskSim）部署到实时仿真器（PXIBox），整体架构如下图所示：

以下分别为 PEM 设定值为 3MW 和 10MW 时的实时仿真波形，均能稳定运行。

可以看到，通过任意修改 PEM 模块的设定值，其等效负载端的电压电流都能稳定跟随 PEM 模块，验证通过。
通过对直流接入模式的离线验证及实时仿真验证可知，EasyGo PEM 电解槽模块能实现设定值与实际运行参数的稳定跟随，验证结果表明该 PEM 电解槽模块在直流接入模式下具有可行性。该模型可为 PEM 电解槽在制氢领域的实际应用提供坚实的模型基础和可靠的技术支持，有助于推动制氢技术的发展和应用，为清洁能源的开发和利用提供有力保障。