基于PEMFC發(fā)電機的DC-DC變換器的建模與仿真

付尚琛,徐 曄,陳向鋒,王 巍

(解放軍理工大學工程兵工程學院,南京 210007)

以質(zhì)子交換膜燃料電池(PEM FC)為主體的氫能發(fā)電機具有無污染、高效率、無噪聲、熱輻射小和模塊化的特點,具有十分廣闊的應用前景。由于PEMFC發(fā)電機發(fā)出的是一種電特性獨特的直流電,它的負載輸出特性與目前絕大多數(shù)用電負荷的用電特性不一致,不僅動態(tài)情況下輸出電壓變化劇烈,靜態(tài)情況下的負載電壓與空載電壓之間也存在很大的差異,因此,在PEMFC發(fā)電機與用電設(shè)備之間通常需要進行電能變換,通過一個前級DC/DC變換器來將其輸出電壓提升并穩(wěn)定在所需要的電壓水平。

1 PEMFC氫能發(fā)電機DC/DC變換器的主電路及參數(shù)選擇

根據(jù)已經(jīng)研制的5 kW PEMFC發(fā)電機的工作及其電氣特性要求所得到DC/DC變換器的技術(shù)指標,輸入電壓為直流50～90 V,開關(guān)頻率為20 kHz,輸出電壓為直流380 V,最大輸出功率為5 kW。由于本文所研究的DC/DC變換器屬于功率較大的變換器,而且高頻變壓器次級和初級側(cè)的電壓比達到9.6∶1,又要求變壓器的制作應盡可能簡單,為滿足上述要求,本文將采用移相全橋式ZVS-PWM功率變換技術(shù),這種技術(shù)開關(guān)損耗小、效率高,對于上述要求具有較好的適應性,其中移相控制全橋ZVS-PWM DC/DC變換器電路,結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 全橋移相控制ZVS-PWM DC/DC變換器主電路

DC/DC變換器的功率開關(guān)選擇仙童公司的FGA 180N 30D,輸出整流管選擇西門康公司的整流橋SKB25/12(16),輸入側(cè)穩(wěn)圧濾波超級電容由5個電容值為1.25μF的雙電層電容器并聯(lián)得到,隔直電容用4個220μF的無感電容并聯(lián)得到。高頻變壓器的原副邊匝數(shù)分別為5和48。

(1)輸出濾波電感的選擇[1-2]輸出濾波電感一般都要求電感電流的最大脈動量為最大輸出電流的10%～20%:

其中DC/DC變換器輸出電壓U out為380 V,最大占空比Dmax為0.9,開關(guān)周期Ts為50μs,最大電流I omax為14.7 A,計算可得L f=0.63 mH。

(2)輸出濾波電容的選擇 輸出濾波電容的最小值可由下式得出[3]:

根據(jù)所設(shè)計的DC/DC變換器的性能要求,選擇一個合適的輸出電壓脈動峰峰值ΔU o,就可以計算出所需的電容量。本文中ΔU o取1 V,得到輸出濾波電容的最小值為22μF。由于LC濾波器對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響,而且一個小的電感L和大的電容C將會使輸出濾波器有一個低的浪涌阻抗,當負載階躍變化時,變換器有一個理想的瞬間特性,故實際采用的電容為2200μF。

(3)諧振電感的選擇 為實現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關(guān),必須滿足下式:

式中:Lr是諧振電感,I是滯后橋臂開關(guān)管關(guān)斷時原邊電流的大小,Cds是開關(guān)管漏源極電容,Uin是母線直流電壓。

由上式可知,要使得輕載時滯后橋臂實現(xiàn)零電壓開關(guān),諧振電感值盡可能大,但諧振電感過大又可能導致副邊占空比丟失嚴重,因此諧振電感的取值應折中考慮這兩方面的要求。本文中I為87.36 A,C d s取3420 pF,U in取最大值90 V,則可得諧振電感Lr不小于10 nH,結(jié)合高頻變壓器漏感最后取0.9μH。

2 DC/DC變換器的建模

Buck型 PWM 變換器的連續(xù)導通模式(CCM)下的小信號等效電路模型如圖2所示。

圖2 Buck型PWM變換器小信號等效電路模型

Buck變換器的控制-輸出傳遞函數(shù):

該移相全橋變換器與Buck變換器的不同之處在于移相全橋變換器的占空比為有效占空比Deff,記該變換器的原副邊匝數(shù)比為1∶N,則移相全橋變換器的電壓增益可表示為:

有效占空比:

由上式可見,D,I L,U in稍有一些擾動,相應的有效占空比D eff也會發(fā)生擾動。這樣,三個不同的擾動量,和,將使有效占空比D eff產(chǎn)生相應的三種擾動,和;這與Buck變換器中占空比只有一種擾動量是完全不同的。以下分別推導D eff的這三種擾動量的表達式:

取Deff對Uo的擾動記為d^V,可得:

從而得到移相全橋變換器的小信號等效電路模型如圖3所示。

圖3 移相全橋變換器的小信號等效電路模型

由等效電路可得移相全橋變換器的控制-輸出傳遞函數(shù):

式中:RP=4N2Lrf

當實際參數(shù)取:U in=50～90 V,N=9.6,L f =0.63 mH,C f=2200μF,U o=380 V,R=U2o/ P o=28.88Ω,f=20 kH z,R p=4N2L r f=6.64 Ω時,可以得到:

為了驗證所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性,利用M ATLAB畫出電壓外環(huán)傳遞函數(shù)的開環(huán)Bode圖和單位階躍響應,如圖4所示。

圖4 移相全橋變換器電壓外環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)Bode圖和單位階躍響應圖

從圖中可以看出,相角裕度接近33°,幅值裕度大約為70 dB,在單位階躍響應中,系統(tǒng)經(jīng)過大約0.06 s進入穩(wěn)定狀態(tài),這說明所設(shè)計的系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

3 仿真及結(jié)果分析

利用MATLAB的Simulink平臺對所建模型進行仿真,仿真電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真電路圖

仿真電路參數(shù)設(shè)置如下:輸入電壓源為RL模型[4];高頻逆變橋采用4個IGBT/Diodes搭接而成,IGBT功率開關(guān)管參數(shù)按FGA 180N30D的參數(shù)設(shè)置,漏源級間電容為3420 pF;單相高頻變壓器,容量5 kVA,頻率20 kH z,變比為5/48;高頻整流橋采用Diodes結(jié)構(gòu),并采用默認參數(shù);隔直電容Cb=930μF,諧振電感L3=0.9μH,濾波電感L f=630μH,濾波電容C f=2200μF;中間直流參考值380 V;電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)10,積分系數(shù)0.005,輸出限值-100到100;電流內(nèi)環(huán) PI調(diào)節(jié)器比例系數(shù)為 100,積分系數(shù)為0.0005,輸出限值-25×10-6到25×10-6;采樣時間2μs。

滿載情況下系統(tǒng)的仿真波形如圖6,這是一種超前橋臂和滯后橋臂的軟開關(guān)波形,圖中波峰高的波形為開關(guān)管兩端的電壓波形,波峰低的為開關(guān)管的驅(qū)動電壓波形。從圖中可以看出,當驅(qū)動電壓加在開關(guān)管上時,開關(guān)管兩端的電壓下降到零,這說明系統(tǒng)實現(xiàn)了ZVS軟開關(guān)。

圖6 ZVS軟開關(guān)

圖7為系統(tǒng)突加負載和突減負載時的輸出電壓波形。

圖7 負載突變時的輸出電壓波形

從圖中可以看出,輸出電壓在系統(tǒng)開機后經(jīng)過兩個周期的調(diào)整逐步趨于穩(wěn)定,突加負載時電壓略有跌落,突減負載時電壓突升,但電壓跌落和突升小于1.4 V,這說明所設(shè)計的DC/DC變換器能很好地改善PEMFC的動態(tài)輸出特性。

4 結(jié)論

PEMFC發(fā)電機的前級DC/DC變換器至關(guān)重要,負責系統(tǒng)的功率傳輸,其性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的性能。

本文以5 kW PEMFC發(fā)電機為例,建立了其前級DC/DC變換器主電路的小信號模型,通過該模型傳遞函數(shù)分析了所設(shè)計系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并用MATLAB對所建模型進行了仿真,得到了其超前和滯后橋臂的軟開關(guān)波形以及突然加減負載時輸出電壓波形的變化波形,通過對波形分析,可得所建模型是合理的。

[1] 楊旭,裴云慶,王兆安.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 吳勇軍.基于電流型控制的低壓大電流開關(guān)電源的研制[D].第二炮兵學院碩士論文,2001.

[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.11.

[4] 劉德勇,趙曉明,徐曄.PEMFC發(fā)電機電氣模型及仿真研究[J].電氣技術(shù),2009(1):49-52.