PEM（質(zhì)子交換膜）電解槽作為制氫領(lǐng)域的核心設(shè)備，其模型的準(zhǔn)確性和可靠性對(duì)于制氫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、運(yùn)行和優(yōu)化至關(guān)重要。本文通過(guò)離線(xiàn)仿真和實(shí)時(shí)仿真兩種方式，對(duì)EasyGo PEM 電解槽模型在直流接入模式的可行性進(jìn)行全面驗(yàn)證，可為PEM電解槽的實(shí)際應(yīng)用提供理論和實(shí)踐依據(jù)。

一、EasyGo PEM 電解槽模型

質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，簡(jiǎn)稱(chēng)PEM）是電解槽的核心部件，起到分離產(chǎn)物氣體和絕緣電極的作用。

PEM 電解槽利用直流電將水分解為氫氣和氧氣，EasyGo PEM電解槽模型輸入部分為功率和負(fù)載電壓，輸出包括總電壓、總電流、制氫速率、制氫效率以及制氧速率，如圖所示。

模型封裝參數(shù)分為：可調(diào)參數(shù)和 PEM 電解槽單個(gè)電解小室系統(tǒng)參數(shù)。

PEM 電解槽單個(gè)電解小室系統(tǒng)參數(shù)，如下表所示。

二、仿真驗(yàn)證

本文中我們分別用離線(xiàn)模型驗(yàn)證、實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證兩種方式驗(yàn)證了該 PEM 電解槽模塊在直流接入模式的可行性，具體驗(yàn)證詳情如下。

1、直流接入模式

直流接入模式是指 PEM 模塊開(kāi)放直流接口接入系統(tǒng)拓?fù)?。該模式主要考慮電力電子拓?fù)渲屑?xì)節(jié)控制方面的變化。因此，要在PEM等效負(fù)載接入拓?fù)鋾r(shí)，保證該負(fù)載每個(gè)時(shí)刻消耗的電壓、電流與設(shè)定值一致。

其拓?fù)錇?AC/DC-DC/DC 型拓?fù)洌缦聢D所示：

拓?fù)渲?，PEM 等效負(fù)載以受控電流源的形式接入，受控電流為PEM模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的實(shí)際消耗電流。藍(lán)色部分為AC/DC，綠色部分為DC/DC。

AC/DC 通過(guò)整流將網(wǎng)側(cè)交流電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓，接著通過(guò)DC/DC拓?fù)?，將PEM等效負(fù)載的電壓控制在PEM模塊實(shí)時(shí)計(jì)算出來(lái)的實(shí)際消耗電壓值附近，從而形成閉環(huán)。

其具體算法如下圖所示：

2、離線(xiàn)仿真

給定 PEM 隨機(jī)功率，等效負(fù)載處的電流由PEM模塊計(jì)算實(shí)時(shí)給出，我們只需觀(guān)察等效負(fù)載的電壓與PEM模塊輸出的電壓是否一致。

如圖所示，當(dāng)給定值為 5MW時(shí)，PEM模塊計(jì)算出的實(shí)時(shí)電壓與測(cè)量值相同（重合）；在5.2秒左右將給定值調(diào)整為8MW，測(cè)量值也能很快跟隨。

3、實(shí)時(shí)仿真

PXIBox是基于PXI總線(xiàn)架構(gòu)硬件平臺(tái)的實(shí)時(shí)仿真產(chǎn)品系列，采用新款多核實(shí)時(shí)CPU+多FPGA硬件架構(gòu)，既可以做快速原型控制應(yīng)用，又可以做硬件在環(huán)測(cè)試，也可以同時(shí)一機(jī)多用。

將控制模型和拓?fù)淠Ｐ头謩e通過(guò)仿真上位機(jī)（EasyGo DeskSim）部署到實(shí)時(shí)仿真器（PXIBox），整體架構(gòu)如下圖所示：

以下分別為 PEM 設(shè)定值為3MW和10MW時(shí)的實(shí)時(shí)仿真波形，均能穩(wěn)定運(yùn)行。

可以看到，通過(guò)任意修改 PEM 模塊的設(shè)定值，其等效負(fù)載端的電壓電流都能穩(wěn)定跟隨PEM模塊，驗(yàn)證通過(guò)。

通過(guò)對(duì)直流接入模式的離線(xiàn)驗(yàn)證及實(shí)時(shí)仿真驗(yàn)證可知，EasyGo PEM 電解槽模塊能實(shí)現(xiàn)設(shè)定值與實(shí)際運(yùn)行參數(shù)的穩(wěn)定跟隨，驗(yàn)證結(jié)果表明該P(yáng)EM電解槽模塊在直流接入模式下具有可行性。

EasyGo PEM 電解槽模型可為PEM電解槽在制氫領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的模型基礎(chǔ)和可靠的技術(shù)支持，有助于推動(dòng)制氫技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，為清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用提供有力保障。