固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)逆變器研究

魏立明，呂雪瑩

(吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春130118)

固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)逆變器研究

魏立明，呂雪瑩

(吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春130118)

將燃料電池電堆輸出的40 V直流低壓電首先經(jīng)過前級DC/DC變換器升壓為400 V的高壓直流電，后經(jīng)全橋逆變器轉(zhuǎn)換為220 V/50 Hz的交流電，分別對DC/DC變換器和全橋逆變器進行仿真分析，為燃料電池的應用研究提供了理論參考及借鑒。

燃料電池；隔離型全橋變換器；DC/AC逆變器；濾波器；Matlab仿真

燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)成為解決全球環(huán)境問題的重要途徑之一，其不間斷的特點具有平衡發(fā)電機和負載需要的儲存能力[1]。燃料電池是可再生的新能源，有著廣泛的應用前景。本文是對獨立工作時1 kW SOFC發(fā)電系統(tǒng)進行仿真分析，單體SOFC的輸出電壓為0.8 V[2]，把多個單體燃料電池串/并連在一起組成燃料電池電堆，大部分制造商選擇標準的28～43 V作為電堆的輸出電壓，適當減少燃料電池的數(shù)量來實現(xiàn)更好的功能，減輕對后級逆變器的要求[3]?？紤]到燃料電池低電壓的特性，需要將燃料電池電堆輸出的低壓直流電(變換器的輸入電壓)進行升壓，然后在經(jīng)過逆變器逆變成交流電，后經(jīng)濾波器濾除高頻電壓，最后輸出穩(wěn)定的正弦交流電供負載使用。

1 DC/DC變換器的設(shè)計

根據(jù)SOFC發(fā)電系統(tǒng)特點，并網(wǎng)/獨立逆變系統(tǒng)的前級DC/DC變換器應該具有如下幾個作用：

(1)提高輸入電壓

固體氧化物電堆輸出電壓期望值在40 V，當負荷功率變化時，輸出電壓的波動范圍在28～43 V[4]，低于負載的用電電壓，所以在SOFC發(fā)電系統(tǒng)從輸出到負載的過程中必須先經(jīng)DC/DC變換器進行升壓。

(2)輸入電壓波動大

固體氧化物燃料電池電堆的輸出電壓產(chǎn)生波動時，前級DC/DC變換器應當提供穩(wěn)定的輸出電壓供給后級DC/AC正常工作的輸入電壓，當負載突變時發(fā)電系統(tǒng)也可正常運行。

(3)轉(zhuǎn)換效率高

逆變器影響著整個發(fā)電過程中產(chǎn)生的成本費用和工作效率，本文中，對逆變器的轉(zhuǎn)換效率要求高于85%，因此，前級DC/DC變換器的工作效率也應當提高。

(4)抑制輸入電壓低頻波

固體氧化物燃料電池電壓波動大，與此同時電流波紋在內(nèi)阻上產(chǎn)生紋波電壓和附加損耗。在DC/DC變換器的設(shè)計中，應當采取相應的方法進行抑制低頻紋波。

通過以上的分析，本文固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)前級DC/DC變換器采用隔離型全橋DC/DC變換電路。該變換器可以應用在較寬范圍的輸入電壓，在中、高輸入電壓，中大功率輸入中占有明顯優(yōu)勢[5-6]。隔離型升壓全橋變換器由輸入電源Ui，電感L，全橋逆變電路Q1～Q4，隔離升壓變壓器的升壓比nT，全橋整流電路D1～D4，濾波電容CO，負載RL構(gòu)成。調(diào)節(jié)4個功率開關(guān)管Q1、Q2、Q3和Q4的關(guān)斷和導通，在變壓器原邊得到交流方波電壓，后經(jīng)隔離變壓器進行升壓后，變壓器副邊得到一個nT倍幅值的交流電壓。隔離型升壓全橋變換器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 隔離升壓全橋變換器原理圖

2 DC/AC逆變器的設(shè)計

前級隔離型全橋DC/DC變換器將SOFC的低壓大電流、不穩(wěn)定的直流電壓進行升壓，后級采用單相全橋逆變器將前級輸出的穩(wěn)定直流電逆變?yōu)榻涣麟姙樨撦d供電，其直流側(cè)的電壓利用率高于半橋式逆變器，可以采用低開關(guān)頻率，對輸出端濾波器的規(guī)模、費用有益。全橋逆變電路的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)獨立運行時，其逆變環(huán)節(jié)采用PWM反饋控制，電壓作為反饋信號與參考的正弦波參考電壓做比較，誤差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，得到穩(wěn)定220 V交流電[7]。全控型開關(guān)器件S1、S4和S3、S2分別采用統(tǒng)一的開關(guān)信號，S1(S4)和S3(S2)驅(qū)動信號相位相差180°，當S1、S4工作時，S3、S2停止，當S1、S4停止時，S3、S2開始工作。四個開關(guān)管按照一定的規(guī)律進行開、斷。T為2 p、輸出電壓VAB的頻率f=1/T、ω=2 pf。當0≤ωt

VAB基波幅值為：

n次諧波幅值為：

圖2 全橋逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)圖

3 濾波器的設(shè)計

單相全橋逆變器電路的輸出波形并非是標準正弦，所以要額外增加一個濾波器，濾除高次諧波，本文采用SPWM方式進行調(diào)制，所以要根據(jù)SPWM調(diào)制技術(shù)設(shè)計一種適合于單相全橋式逆變電路的濾波器，達到濾波效果。輸出濾波器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。Lf1、Lf2和Lf3為普通的電感，CMR-Lf為共模抑制電感，實質(zhì)上就是由兩個線圈纏繞在同一根鐵芯上。當電流流經(jīng)線圈時，電流所產(chǎn)生的磁場相互抵消，電流受到的影響較小，當共模抑制電流流經(jīng)線圈時，磁場加強，加大線圈的阻抗，同時線圈對其為高阻狀態(tài)，針對共模電流產(chǎn)生的阻尼，達到濾除共模干擾的目的[8-9]。輸出濾波的電感由電流波紋的大小決定，本文選取10%的額定電流。

電感電流：

式中：fc為系統(tǒng)開關(guān)管頻率；D為占空比；VDC為直流母線電壓；UO為輸出電壓。

圖3 濾波器結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)以上提出的設(shè)計方案，基于Matlab軟件搭建固體氧化物燃料電池的發(fā)電系統(tǒng)逆變器的仿真模型，前級采用DC/DC隔離型全橋變換器，將理想的40 V低壓直流電轉(zhuǎn)換為高壓400 V的穩(wěn)定直流電，DC/DC變換器的開關(guān)控制采用單極性倍頻SPWM調(diào)制方式，然后再經(jīng)過全橋逆變器將400 V高壓直流電逆變?yōu)?20 V/50 Hz的穩(wěn)定交流電。圖4為逆變器仿真模型。

圖4 逆變器仿真模型

4 仿真分析

前級DC/DC隔離式全橋變換電路Vomin=400 V，開關(guān)頻率fs=20 kHz，Iomax=4.54 A，變壓器變比n=20，Vin=40 V，VD=0.8 V，L=10 mH。從圖5可以看到，從零開始電壓快速上升，0.78～0.82 s之間電壓出現(xiàn)突變，隨后，大約0.83 s后達到穩(wěn)定，將單體固體氧化物電堆輸出的較大波動的40 V低壓直流電升成穩(wěn)定的400 V高壓直流電，輸出的電壓波形圖較平滑。

開關(guān)頻率為f=25 Hz，前級DC/DC變換器輸出電壓VDC=400 V，ΔIc≈0.45 A，L=4 mH，C=2.2 μF，由圖6可知，當固體氧化物燃料電池單獨運行時，220 V/50 Hz輸出電壓波形穩(wěn)定。由此，通過Matlab/Simulink軟件仿真結(jié)果可知以上對固體氧化物發(fā)電系統(tǒng)逆變器的設(shè)計符合要求。

圖5 隔離型全橋逆變電路的直流母線電壓

圖6 全橋逆變電路輸出電壓

5 結(jié)束語

本文針對固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的前級DC/DC隔離全橋變換器、全橋逆變器和濾波器進行設(shè)計，根據(jù)設(shè)計的參數(shù)應用Matlab軟件搭建系統(tǒng)模型，進行仿真。最后經(jīng)過仿真分析結(jié)果可以得到穩(wěn)定的正弦220 V/50 Hz的交流電供負載使用，逆變器的設(shè)計符合供電要求。

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Research on power generation system inverter with solid oxide fuel cell

WEI Li-ming,LV Xue-ying
(School of Electrical and Computer,Jilin Jianzhu University,Changchun Jilin 130118,China)

The 40 V(DC)output low voltage of fuel cell pile was boosted to 400 V high voltage DC electricity by the front-end DC/DC converter,then was converted into 220 V/50 Hz AC by the full bridge inverter.The DC/DC converter and full bridge inverter were simulated,providing theoretical reference for the application of fuel cells.

fuel cell;isolated full bridge converter;DC/AC inverter;filter;Matlab simulation

TM911

A

1002-087 X(2016)08-1602-03

2016-02-23

魏立明(1974—)，男，吉林省人，教授，主要研究方向為電氣工程研究。