氫燃料電池空壓機變頻器工業應用及發展趨勢

劉娟，胡曉磊，滕易伊娜，章仕起，張哲

（1.天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180；2.燕山大學電氣工程學院，河北 秦皇島 066004）

隨著近些年工業上的氫燃料電池汽車和熱電聯產系統的飛速發展[1-2]，氫燃料電池技術得到了廣泛的關注。Strategy Analysis Inc.分別研究了2012年—2018年對氫燃料電池系統成本的影響因素，從研究中可以看出，影響氫燃料電池系統成本的主要因素由電池組性能和鉑（Pt）負載轉移到了空氣供給子系統[3-4]?？諝鈮嚎s機作為氫燃料電池空氣供給子系統的核心器件，是由電機驅動將過濾后的空氣增壓、加濕，送入氫燃料電池反應堆中，氫氣和增壓后的氧氣在電堆中發生電化學反應，輸出電能供外部負載和自身空氣壓縮機使用。但是，電堆中輸出電能的20%～30%被用于空氣壓縮機，約占氫燃料電池系統整體功耗的80%[5]，這降低了系統的效率，也間接提高了氫燃料電池系統的成本，不利于氫燃料電池在工業市場上更廣泛的應用。

目前工業產品上提高氫燃料電池系統效率有以下幾種方案：1）加裝一個與電機相連的配件膨脹機[4]，吸收多余的排氣，降低空氣壓縮機能耗，提高效率；2）優化空氣壓縮機系統的控制方法，文獻[6]系統地回顧了當前常用的控制方法以及不同控制方法的優缺點，為壓縮機不同運行工況下控制方式的選擇提供了參考；3）根據氫燃料電池的具體應用條件，選擇此種條件下合適的空氣壓縮機類型和工作參數，使氫燃料電池的系統效率達到最優[6-7]，從而減少能耗，節約成本；4）氫燃料電池工業上的空氣壓縮機產品采用的變頻器控制策略。

變頻器同樣是附加在空氣壓縮機的電機上的配件，它的優勢是：可以通過變頻調速降低空氣壓縮機的啟動電流，減小對氫燃料電池系統使用時的沖擊，同時可以自動調節壓力使空氣壓縮機保持恒壓運行，降低系統的能耗并延長設備的使用壽命，從而降低氫燃料電池系統的成本，圖1是氫燃料電池系統的工作示意圖。

圖1 氫燃料電池系統Fig.1 Hydrogen fuel cell system

隨著氫燃料電池產業的迅速發展，氫燃料電池相關零部件產業的市場同樣前景廣闊，國家也推出了相關政策大力支持。但是通過資料調研得出，目前缺少對氫燃料電池空氣壓縮機專用變頻器的相關資料綜述，尤其是對工業上已經產品化的空氣壓縮機專用變頻器技術方案總結較少，不利于該產業走向規范和成熟。

為了給相關研究人員和變頻器生產廠家一個行業參考，本文從工業應用的角度出發，第1節簡單介紹了變頻器接入氫燃料電池空氣壓縮機的原理；第2節是文章的重點，總結了空氣壓縮機專用變頻器的生產廠家和技術參數，并歸納了氫燃料電池空氣壓縮機采用變頻器技術的難點和未來發展方向；第3節是對文章內容的總結。

1 空氣壓縮機變頻技術原理

變頻器是通過恒壓供氣的原理來控制氫燃料電池空氣壓縮機的裝置，使空氣壓縮機在理想的壓力下保持恒壓輸出，從而達到節約能耗的作用。下面簡單介紹變頻器接入氫燃料電池空氣壓縮機中的優勢和原理。

許多學者研究了空氣壓縮機恒壓供氣對系統成本的影響。文獻[8]說明了氫燃料電池系統成本隨空氣壓力的變化規律，如圖2所示，可以得出：隨著空氣供給壓力的增加，可有效降低燃料電池的制造成本；文獻[9]也說明了確立一個最佳的空氣壓縮機供氣壓力，對功耗、氫燃料電池系統效率和成本的改善都有良好的效果。通過以上文獻可得出結論：氫燃料電池空氣壓縮機在0.3 MPa 下工作時，保持該壓力恒定不變供氣對系統效率的提升和成本的降低都有很好的效果。

圖2 氫燃料電池系統成本隨空氣壓力的變化規律Fig.2 Variation law of hydrogen fuel cell system cost with air pressure

當變頻器接入氫燃料電池中的空氣壓縮機時，可以進一步調節電機轉速，使空壓機輸出壓力保持恒定，還可以降低氫燃料電池啟動時的沖擊電流，實現氫燃料電池空氣壓縮機中電機的軟啟動，延長設備壽命。該方案有以下優勢：相比于不附加變頻器直接控制電機的方式，空氣壓縮機能實現更加穩定的供氣輸出；通用性強，可以根據氫燃料電池的輸出功率，調節適配的空氣壓縮機輸出壓力，避免了為不同輸出功率的氫燃料電池都進行空氣壓縮機選型的繁瑣；變頻器可以搭配膨脹機一起使用，能實現更好的節能效果，降低空氣壓縮機的損耗，提高系統效率。

變頻調速原理圖如圖3所示。變頻器接入之后的控制流程為：首先設定空氣壓縮機的輸出壓力參考值，然后和儲氣罐壓力值比較，通過PID計算獲得相應的變頻器頻率，再通過變頻器調節電機轉速，最終實現了恒壓供氣[10]。

圖3 空氣壓縮機變頻調速原理圖Fig.3 Principle diagram of aircompressor frequency conversion speed regulation

2 空氣壓縮機變頻器工業現狀

目前國內外部分的變頻器生產廠家有空氣壓縮機行業專用變頻器的系列產品，可以作為氫燃料電池工業發展的助力。由于該行業還未成熟，目前搜集到的數據可為氫燃料電池空氣壓縮機提供選型參考。

2.1 國內外生產廠家及產品介紹

2.1.1 匯川技術（INOVANCE）[11]

匯川的空氣壓縮機專用變頻器有多個系列，均屬于低壓變頻器，介紹如下：

CP200，CP300，CP320 的輸出功率范圍為5.5～355 kW，可實現頻率0～500 Hz的輸出；

CP650 系列為空壓機應用的單變頻一體機，根據功率范圍的不同，在7.5～15 kW 輸出時，可輸出0～800 Hz 的頻率，在18.5～55 kW 輸出時，可輸出0～500 Hz的頻率；

CP700 產品系列采用雙變頻和工頻控制，可輸出的頻率范圍為0～500 Hz；

MD510 屬于高速電機的專用驅動器，功率范圍為22～160 kW，輸出頻率最高可達1 500 Hz。值得注意的是，該產品系列中采用了匯川技術開發的PMVVC 控制，PMVVC 控制適用于同步電機，對電機的參數要求相對較低。

2.1.2 英威騰（INVT）[12]

英威騰空氣壓縮機專用變頻器有以下三種型號：

Goodrive300-01A 系列空壓機專用變頻器是英威騰針對空氣壓縮機行業的應用特點而定制開發的一款產品，可應用于同步或異步空壓機的控制。適用電機容量為7.5～200 kW，輸出頻率范圍為0～400 Hz；

Goodrive300-01A-RT 系列變頻器是一款單變頻一體機，適用電機容量為7.5～37 kW，輸出頻率范圍為0～250 Hz；

Goodrive300-21 系列空壓機專用雙變頻一體機適用于同步或異步雙螺桿空壓機，適用電機容量為7.5～90 kW，輸出頻率范圍為0～400 Hz。

2.1.3 藍海華騰（V&T）[13]

藍海華騰有著V5-H-A9 型號的空氣壓縮機專用變頻器。

2.1.4 正弦電氣（SINEE）[14]

正弦電氣的A98E 系列是永磁螺桿空壓機專用變頻器，搭配永磁同步電機，電機的額定轉速最高可達60 000 r/min。

2.1.5 普傳科技（Powtran Technology）[15]

PI500-C 系列空壓機專用變頻器是針對螺桿式空氣壓縮機過程工藝而設計的，能夠對同步或異步空壓機實現更優異的控制?？纱钆溆来磐诫姍C，在適用電機容量為7.5～400 kW，輸出頻率范圍為0～400 Hz，在矢量控制下輸出頻率范圍為0～300 Hz，在V/f 控制下輸出頻率范圍為0～3 200 Hz。

2.1.6 歐瑞傳動（EURA DRIVES）[16]

KY2000 系列是空壓機單變頻驅動一體機，可為螺旋桿空壓機提供單變頻驅動，已經在英格索蘭空壓機上得到應用，可搭配永磁同步電機。

2.1.7 福瑞電氣（FORIPOWER）[17]

專門針對氫燃料電池系統空壓機電機開發的超高速電機變頻控制器產品，使用SVC 控制，輸出頻率可達0～3 000 Hz，電機最高轉速可達180 000r/min。

2.1.8 新富凌電氣（FULING ELECTRIC）[18]

新富凌電氣有著H200 型號的空壓機一體機變頻器。

2.1.9 邁凱諾電氣（MICNO）[19]

TE300A 系列空壓機專用變頻器，在V/f 控制下可達到輸出頻率0～3 000 Hz，在SVC控制下可達到輸出頻率0～300 Hz。

2.1.10 日本安川（YASKAWA）[20]

E1000使用高效率同步電機，是壓縮機專用的變頻器，200 V機型可適用電機容量為0.7～110kW；400 V機型可適用電機容量為0.75～630 kW。

2.1.11 德國西門子（SIEMENS）[21]

西門子有著SINAMICS-G120XA 型號的壓縮機負載專用產品。

2.1.12 丹麥丹佛斯（DANFOSS）[22]

丹佛斯的FC103是壓縮機專用產品。

2.1.13 法國施耐德（Schneider Electric）[23]

施耐德有AVT212 型號壓縮機的行業專用變頻器。

市場上的變頻器龍頭廠家還有瑞士的ABB[24]和日本的三菱[25]，這兩家廠家也有用于空氣壓縮機上的專用變頻器產品，但其相關數據暫未公布或者暫未查到。

接下來對以上提到的空氣壓縮機專用變頻器產品的工作電壓、輸出電流、輸出功率、輸出頻率以及采用的控制方式進行了歸納，如表1所示。

根據表1 可以總結得出：目前廠家生產的大部分氫燃料電池空氣壓縮機專用變頻器的產品，其工作電壓多數在200～690 V 之間，屬于低壓變頻器；變頻器的輸出電流均比較高，且產品工作時的輸出電壓一般和輸入電壓相同，空氣壓縮機的電機工作處于低壓大電流下。經過對市面上氫燃料電池系統的產品調研，空氣壓縮機專用變頻器的輸出功率范圍可以覆蓋便攜式和交通領域的功率范圍，但是對于固定式發電領域的功率需求還不能滿足。

氫燃料電池專用空氣壓縮機最常用控制方式為無速度傳感器矢量控制（也稱作開環矢量控制（SVC））和恒壓恒頻控制（V/f）。由邁凱諾和普傳科技的產品可以看出當采用V/f 控制時，輸出頻率可以達到很高的頻率輸出，而SVC 和FVC（閉環矢量控制）控制下，輸出頻率一般在幾百的范圍；雖然DTC 控制也是變頻器的常用控制方式，但是在空氣壓縮機專用變頻器的工業產品上，只有ABB采用了DTC控制。

根據以上總結可以看出，國內廠家的空氣壓縮機專用變頻器產品在指標上可以替代國外產品，國內的企業發展迅速。

2.2 空氣壓縮機變頻器的技術難點和發展方向

2.2.1 變頻器應用拓撲和控制方式

根據Fuel Cell Industry Review 對不同領域應用的氫燃料電池功率范圍進行的總結，便攜式輔助電源功率范圍在1 W～20 kW，氫燃料電池汽車領域的功率范圍在1～300 kW，二者適配的是中低壓變頻器。中低壓變頻器的拓撲結構較為統一，均為兩電平結構，如圖4所示。而發電廠和熱電聯產應用領域的氫燃料電池功率范圍可達到0.5 kW～2 MW，則需要高壓變頻器來進行驅動。

圖4 低壓變頻器兩電平結構拓撲圖Fig.4 Topology diagram of two-level structure of low voltage variable frequency drive

圖4 中的兩電平拓撲結構由整流、中間直流環節和逆變三部分組成。整流部分為不控整流橋電路，器件采用的二極管，預充電回路的作用是抑制啟動電流對電容的沖擊；中間直流環節為濾波、直流儲能和緩沖無功功率；逆變部分采用的是全控器件絕緣柵雙極晶體管（IGBT），逆變器拓撲可實現兩電平的電壓輸出。

目前常用的控制方式有V/f[26]，FVC[27]，SVC[27]以及DTC[27-28]。接下來介紹它們各自的特點和應用場景。

V/f的控制算法較為簡單，其控制電機的輸出轉矩，缺點是動態響應慢且控制精度較差，可用于控制精度要求低、負載變化較小和有節能需求的負載。

FVC 控制是通過將輸出電流分解為勵磁電流和轉矩電流，實現對轉矩和速度的分別控制，動態響應快。但是這種控制方式需要傳感器對電機定子電阻和d，q軸電感等電機參數的識別，用于需要精確控制和對動態響應能力高的負載。

SVC控制方式與FVC方式相同，但是在速度環上沒有傳感器進行反饋，控制精度比FVC方式低，需要對轉子磁鏈位置角和轉速進行在線識別，可用于需要對轉矩和轉速分別進行控制，并且對于動態響應能力和精度的要求不是特別高的負載。

DTC 控制是直接控制電機的轉矩和磁通，不用在復雜空間坐標系之間變化，相比矢量控制簡化了控制器結構，在轉矩響應和控制精度上具備優勢，用于需要高性能控制的場合，尤其是需要快速瞬態轉矩響應的大慣量負載系統中。

技術難點上，變頻器的核心技術包括電力電子和電機控制算法兩部分。目前變頻器用在氫燃料電池空氣壓縮機上需要向著高功率密度、高電磁兼容性、高可靠性、高通用性、高融合性以及更好的快速同步性等技術方向發展。

在電力電子方面，便攜式和交通領域的氫燃料電池空氣壓縮機需要的低壓變頻器的硬件結構比較成熟，而固定式發電領域需要的高壓變頻器則需要不斷發展新的拓撲結構，例如IGBT 模塊串聯多電平結構、M2C 模塊化多電平串聯結構、高壓集成門極換流晶閘管（IGCT）三電平中點鉗位式（NPC）結構以及LCI 負載換相式晶閘管型結構等，可以將其運用到固定式發電領域的氫燃料電池空氣壓縮機中。同時電力電子方面還要優化整流和濾波等的結構設計，以提高功率密度；改進散熱等外圍結構，以提高可靠性。

在電機控制算法方面主要解決的是對電機的轉速和輸出轉矩的控制問題。目前控制算法已經解決了“能不能用”的問題，需要繼續優化的是控制算法的通用性，以滿足氫燃料電池中不同種類和不同輸出功率的空氣壓縮機需求；同時，要提高變頻器的控制算法和控制系統的融合性，兼容不同類型的現場總線通信協議。

2.2.2 高速電機

作為變頻器接入氫燃料電池空氣壓縮機的直接對象，電機的性能對整個氫燃料電池系統至關重要。2023年，中國船舶重慶公司所屬江增重工研發團隊攻克了超高速永磁同步電機矢量控制策略等核心技術，成功研制了寬流量無油離心式壓縮機及超高速電機控制系統。未來隨著高轉速、高功率密度、散熱以及高頻PWM 控制（20 kHz 以上）引起的開關損耗問題將是主要挑戰[4]，但SiC器件和GaN 器件的發展也為此提供了解決方案。在中國科技部啟動的關鍵項目中，超高速永磁電機和高頻電機控制是未來幾年需要解決的技術之一。

2.2.3 完善產業鏈

氫燃料電池行業發展迅速，各個國家都有著相關政策支持，目前已經形成了完整的上中下游產業鏈，作為上游的配件行業也勢必有著很大的市場需求，基于我國面臨“雙碳”的宏偉目標愿景，變頻器可為氫燃料電池面臨的成本和能耗問題提供一個解決方案。

因此，政府應該帶頭規范氫燃料電池空氣壓縮機專用變頻器行業的通用標準，以及明確在不同領域產品中的性能指標，幫助更多的變頻器研究人員和制造商更好地了解行業需求，有針對性地去發展產業技術。

3 結論

氫能源的發展帶動了氫燃料電池和其配件的市場發展，氫燃料電池空氣壓縮機采用變頻器控制有著降低能耗，延長系統壽命的優點，有利于減少氫燃料電池系統的使用成本，使氫燃料電池系統的發展更加成熟，但是目前缺少工業上空氣壓縮機變頻器的產品綜述。

為了給相關研究人員提供行業參考，本文從工業產品的角度出發，綜述了三個方面：

1）介紹了氫燃料電池空氣壓縮機依據恒壓供氣技術可以降低系統使用成本的原理，說明了變頻器方案較其他方案的優勢以及變頻器接入氫燃料電池空氣壓縮機的控制流程；

2）總結了目前國內外市場上空氣壓縮機專用變頻器的生產廠家及其系列產品，對變頻器產品的工作電壓、輸出電流、輸出功率、輸出頻率等參數和控制方式做出了歸納，根據總結得出，目前市面上的產品大多數為低壓變頻器，控制方式普遍采用SVC和V/f控制，其中V/f 控制可以達到更高的輸出頻率，只有少數產品采用了DTC的方式；

3）總結了目前氫燃料電池空氣壓縮機采用變頻技術，在拓撲和控制算法上需要解決高功率密度、高電磁兼容性、高可靠性、高通用性、高融合性以及更好的快速同步性的難點，對兩電平拓撲結構和控制方式做了介紹，并闡述了未來變頻技術的發展方向；在空氣壓縮機的高速電機上需要實現高轉速、高功率密度、散熱性好以及高頻PWM 控制下低損耗；目前該條產業鏈前景廣闊，但是尚未發展完善，希望相關行業標準盡快出臺，促進該產業鏈進一步完善。