关于《电解水制氢电源的宽范围动态调压控制策略》研究的学术报告
一、 研究团队与发表信息
本研究由李建林（国家能源用户侧储能创新研发中心（北方工业大学））、郑新龙（国家能源用户侧储能创新研发中心（北方工业大学））、梁忠豪（高密度电磁动力与系统全国重点实验室（中国科学院电工研究所））、乔颖与林今（新型电力系统运行与控制全国重点实验室（清华大学））共同完成。该研究成果以论文《电解水制氢电源的宽范围动态调压控制策略》（英文标题：Wide range dynamic voltage regulation control strategy for hydrogen production power supply by electrolysis）的形式，于2025年12月26日在《中国电机工程学报》（Proceedings of the CSEE）上进行了网络首发。
二、 学术背景与研究目标
本研究属于电力电子与可再生能源制氢交叉领域，具体聚焦于质子交换膜（Proton Exchange Membrane， PEM）电解水制氢系统的核心部件——制氢电源。随着可再生能源渗透率的提高，氢能作为清洁的二次能源载体，在新型电力系统中扮演着关键角色。PEM电解水制氢技术因其快速动态响应和高电流密度优势，是实现“绿电-绿氢”高效转化的核心技术。然而，该技术在实际应用中面临严峻挑战：首先，PEM电解槽固有的低电压、大电流运行特性与可再生能源（如风、光）的间歇性、随机性波动形成结构性矛盾；其次，电解槽需要在宽动态功率范围（30%-150%额定功率）内高效稳定运行，以维持制氢效率和膜电极耐久性，这对为其供电的电源（变流器）的动态响应速度、输出电压调节范围、波形质量（如谐波）和运行稳定性提出了极高要求。
现有的制氢电源设计方案，如晶闸管整流器、经典Buck/Boost变换器、LLC谐振变换器、多模块并联方案等，普遍存在动态响应慢、谐波失真高、功率因数低、多模块协同控制复杂、或在特定电压区间存在模式切换“盲区”导致输出电压不连续等问题，难以满足PEM电解槽在波动性电源下的高性能运行需求。
针对上述问题，本研究旨在开发一种创新的制氢电源拓扑及其控制策略，核心目标在于：1）实现电源输出电压的宽范围、连续、平滑调节，以适应电解槽的复杂工况需求；2）显著提升系统在负载和输入波动下的动态响应速度；3）大幅降低输入电流谐波失真，实现高质量的电能转换；4）通过先进的控制算法，减少工作模式切换带来的电压电流冲击和能量损耗，提升系统整体效率和可靠性。
三、 详细研究流程与方法
本研究主要包含理论建模、控制策略设计、仿真验证和半实物实验验证四个核心流程。
流程一：混合拓扑结构设计与数学建模 研究首先构建了名为Vienna-四开关Buck-Boost（Vienna-Four Switch Buck Boost, V-FSBB）的两级式混合拓扑结构。前级为Vienna整流器，负责将三相交流电（模拟新能源电网）转换为稳定的直流电，其特点是开关器件电压应力低、能实现单位功率因数运行，适合电压波动场景。后级为四开关Buck-Boost变换器（FSBB），负责对前级输出的直流电压进行升压或降压的精细调节，以匹配PEM电解槽所需的宽范围运行电压。两级电路共用直流侧电容，旨在实现优势互补。
研究团队详细推导了该混合拓扑的数学模型。对于整流侧，在三相静止坐标系和αβ坐标系下建立了状态方程，并分析了其空间矢量分布。对于调压侧（FSBB），根据四个开关管（S1-S4）的不同通断组合，推导了其在Buck、Boost以及两种扩展模式（e-Buck， e-Boost）下的连续时域数学模型，明确了各模式下输出电压与输入电压的增益关系。分析指出，传统控制下，当输入输出电压接近时，系统会在Buck和Boost模式间频繁切换，存在“转换盲区”，导致控制不稳定和输出纹波增大。
流程二：创新性控制策略设计——双闭环动态协同调压 为解决上述问题，本研究创新性地提出了一种“改进型滑模-模型预测分层协同控制策略”。该策略是一个复杂的双闭环系统： 1. 电压外环（改进型变指数趋近律滑模控制）：以输出电压误差构造滑模面，并采用结合反双曲正切函数的变指数趋近律。这种设计旨在提高系统对参数摄动和负载突变的鲁棒性，实现快速电压跟踪，并为后级调压侧提供平滑的电流指令。 2. 电流内环（分层有限集模型预测控制 - Hierarchical Finite Control Set-Model Predictive Control, H-FCS-MPC）：这是控制策略的核心。它并非单一算法，而是一个分层协同框架： * 整流侧控制：采用结合空间矢量调制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）的有限集模型预测控制（FCS-MPC-FSF）。该方法通过FCS-MPC快速评估有限个开关状态的价值函数（函数中同时考虑了电流跟踪误差、中点电位平衡和动态调压需求），选出最优电压矢量，再通过SVPWM合成该矢量，实现了固定开关频率调制，克服了传统FCS-MPC开关频率不固定的缺点。 * 调压侧控制：采用双层滚动优化H-FCS-MPC。第一层（电压预测层）：根据当前状态，预测在Buck、Boost、e-Buck、e-Bost四种模式下下一时刻的输出电压，并计算各自的代价函数（主要评估与参考电压的偏差），进行初步排序。第二层（占空比模式选择层）：基于第一层的结果，结合当前工作模式，进行二次判断，选择能使模式切换次数最少、过渡最平滑的最优工作模式及对应占空比。 * 动态协同机制：这是本策略的亮点。系统实时监测调压侧的输入输出电压差。当该差值小于设定的阈值（如15V），意味着即将进入易发生频繁模式切换的“危险区”。此时，控制算法会生成一个动态的整流侧输出电压指令，主动调整前级Vienna整流器的输出电压，从而拉大或缩小调压侧的输入输出电压差，使其远离模式切换边界，从根本上减少不必要的模式切换。
流程三：基于MATLAB/Simulink的仿真验证 研究团队在Simulink环境中搭建了V-FSBB拓扑的仿真模型，参数设置参考了相关领域文献。仿真从四个维度验证了所提控制策略的有效性： 1. 负载突变下的指令跟踪能力：设定整流侧输出电压指令为750V，调压侧输出为400V，在0.2秒时施加负载突变。对比所提策略与传统双PI控制策略。结果显示，所提策略的整流侧和调压侧输出电压恢复更快，超调更小。输入电流总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）在突变时为1.30%，稳态后降至0.62%，远优于传统PI控制的23.82%和16.77%，且功率因数始终保持在99.95%以上。 2. 调压侧模式切换性能：给定调压侧输出电压在400V、380V、420V之间阶跃变化的指令。对比所提双层H-FCS-MPC与传统MPC。结果表明，所提策略在各种模式切换（包括跨模式切换）过程中，输出电压和电感电流的波动更小，过渡更平滑。同时，整流侧的中点电位波动被有效控制在0.2V以内。 3. 动态调压策略性能：模拟一个更复杂的PEM电解槽电压需求曲线，该曲线要求输出电压在宽范围内变化，传统定值输入电压策略需要经历16次模式切换。应用所提动态协同调压策略后，系统通过实时调整整流侧输出电压，使调压侧的输入输出电压差保持在更合理的范围，将模式切换次数从16次减少到9次，减少了43.75%。此外，输出电压的有效调节范围比传统定压策略拓宽了约15.17%。 4. 新能源波动场景下的鲁棒性：将中国西北某地区的实测风电功率数据，经过核密度估计、Copula函数和聚类算法处理，生成了四季的典型日功率波动场景，并等效为电解槽的动态负载需求。仿真表明，所提控制策略能够很好地跟踪波动性强的风电功率信号，实现风电功率的高比例消纳。
流程四：半实物实验验证 为加强验证，研究搭建了半实物仿真平台。实验结果与仿真趋势一致：在负载突变时，所提策略下整流侧输入电流的调节时间从传统策略的21毫秒缩短至10毫秒；调压侧输出电压的调节时间从78毫秒降至56毫秒，且波动减小。在跟踪动态电压指令时，实验成功观测到了工作模式的平滑切换，证实了所提策略的实际有效性。
四、 主要研究结果及其逻辑关联
本研究通过严谨的仿真和实验，获得了一系列相互印证、层层递进的结果： 1. 快速动态响应与低谐波结果：负载突变仿真表明，新策略将动态响应速度提升了30%以上，并将电流THD降至1.3%的极低水平。这直接证明了改进滑模外环和固定频率MPC内环组合在提升系统瞬态性能和电能质量方面的有效性。优异的电流波形是后续实现高效、稳定电解制氢的基础。 2. 平滑模式切换与中点电位平衡结果：模式切换仿真显示，双层H-FCS-MPC策略能实现更平滑的模式过渡。中点电位波动被严格控制在0.2V内。这两个结果证明了内环MPC价值函数中引入中点电位约束和分层优化逻辑的成功，确保了系统内部状态的稳定，为输出高质量直流电压创造了条件。 3. 动态协同调压的核心成果：面对复杂电压指令，动态调压策略将模式切换次数大幅降低43.75%。这个结果是整个研究逻辑链条的关键产出。它验证了“通过主动调整前级电压来规避后级频繁模式切换”这一核心思想的正确性和巨大潜力。减少模式切换意味着更低的开关损耗、更小的电压电流应力和更长的器件寿命。 4. 宽范围输出与强鲁棒性结果：输出电压范围拓宽15.17%以及在风电波动场景下的良好跟踪性能，综合证明了V-FSBB拓扑与新控制策略的结合，能够很好地适应PEM电解槽的宽域运行要求和可再生能源的波动特性，达成了研究的核心目标。
这些结果之间存在紧密的逻辑关系：快速响应和低谐波（结果1）是高性能电源的基本要求；内部状态稳定（结果2）是实现结果1和后续高级功能的基础；动态协同调压（结果3）是提升系统效率、可靠性和适应性的高级策略，它建立在基础控制性能（结果1、2）之上；最终，所有性能的提升共同支撑了系统在宽范围、波动场景下的卓越表现（结果4）。
五、 研究结论与价值
本研究成功提出并验证了一套用于PEM电解水制氢电源的完整解决方案，包括Vienna整流器与四开关Buck-Boost变换器的混合拓扑（V-FSBB）以及与之配套的改进型滑模-分层模型预测动态协同调压控制策略。
科学价值：1）提出了一种新颖的两级式制氢电源拓扑结构，通过电路结构的巧妙组合，实现了输入输出的双向宽范围调节。2）创新性地将改进滑模控制、固定频率FCS-MPC、双层滚动优化MPC以及级间动态协同机制融合在一个控制框架内，为多模式、宽范围运行的电力电子变换器控制提供了新的方法论。3）明确了通过前级-后级协同来主动规避后级工作模式频繁切换这一控制思路，并给出了具体实现路径。
应用价值：该方案显著提升了PEM电解水制氢电源的综合性能：动态响应更快，能更好地匹配风光等波动性电源；输出调压范围更宽，能适应电解槽从低负荷到过负荷的各种工况；输入电流谐波极低，对电网友好；模式切换平滑且次数减少，系统损耗更低、可靠性更高、寿命更长。这为构建高效、灵活、可靠的“绿电-绿氢”转换系统提供了关键的技术支撑。
六、 研究亮点
七、 其他有价值内容
研究中对PEM电解槽的电化学模型进行了简要分析，指出了其运行电压与制氢效率、产氢速率之间的耦合关系，从而明确了制氢电源需要精细调压的必要性，为整个研究提供了应用层面的理论起点。此外，论文在讨论部分将所提策略与以往研究在拓扑结构、模式切换控制、多目标优化、计算复杂度等多个维度进行了清晰的对比（见表4），突出了本研究的综合优势与进步之处。