PEMFC低輸入電流紋波的升壓逆變器

魯鵬飛，詹躍東

（昆明理工大學(xué) 信息工程與自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504）

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有連續(xù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、功率密度高、工作溫度低以及無噪聲等特點(diǎn)，非常適合用于電動(dòng)汽車電源、便攜式電源以及電網(wǎng)分布式發(fā)電等場(chǎng)合[1]。PEMFC發(fā)電系統(tǒng)作為一個(gè)低電壓、大電流的裝置，無法直接匹配較高的直流母線電壓，需要采用功率變換器進(jìn)行升壓[2]。然而，低頻電流紋波是發(fā)電系統(tǒng)中功率變換器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要問題。

輸入的低頻電流紋波控制在5%以內(nèi)時(shí)，才能確保PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的正常運(yùn)行[3]。為了控制低頻輸入電流紋波，延長(zhǎng)PEMFC的壽命，在功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，學(xué)者們提出了3種主要類型的紋波電流減小策略：無源補(bǔ)償法，有源補(bǔ)償法以及無源+有源混合補(bǔ)償法[4]。部分學(xué)者針對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，針對(duì)DC-DC變換器，可以選用非隔離型變換器如Boost，SEPIC，Cuk及交錯(cuò)并聯(lián)升壓變換器等，也可以選用隔離型變換器如推挽、全橋及推挽全橋變換器等。每種變換器有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。非隔離型變換器不具有電氣隔離[5]，而且部分變換器存在電壓增益低、開關(guān)管電壓應(yīng)力高的問題[6-7]；推挽變換器相對(duì)于全橋變換器更適用于低壓環(huán)境[8]。AHMAD等[9]基于串聯(lián)和并行反饋控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種帶有PI控制（Proportional Integral controller）的兩級(jí)前端升壓變頻器，增加了升壓變頻器的輸出阻抗，降低了該變頻器中的低頻電流紋波。劉佳等[10]設(shè)計(jì)并制作了推挽Buck型DC-DC變換器，通過數(shù)字化控制使其具有較強(qiáng)的抗負(fù)載及抗輸入擾動(dòng)能力。另外，針對(duì)DC-AC變換器，可以選用半橋式逆變器和全橋式逆變器[11]。由于功率轉(zhuǎn)換器及其控制策略對(duì)燃料電池的可靠性和耐久性起著重要作用，因此許多學(xué)者最近研究了新穎的DC-DC和DC-AC功率變換器拓?fù)浼捌淙剂想姵刂械牡皖l電流紋波的一些環(huán)節(jié)方式。ZHAN等[3]提出了一種前級(jí)DC-DC變換器采用推挽電路，后級(jí)DC-AC采用半橋式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，得到了較低的低頻電流紋波。LI等[12]提出了一種前級(jí)為交錯(cuò)連接反激式DC-DC變換器，后級(jí)為全橋式逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)啟停，具有較高的效率和高升壓比，但是輸入電流紋波較高。

針對(duì)低頻輸入電流紋波會(huì)對(duì)PEMFC造成危害的問題，本文設(shè)計(jì)了一種帶有源鉗位的推挽全橋式變換器，并提出一種新的閉環(huán)控制策略，所設(shè)計(jì)的變換器能夠?qū)崿F(xiàn)無源+有源混合補(bǔ)償。仿真結(jié)果顯示，直流輸入的低頻電流紋波為1.3%，并能實(shí)現(xiàn)推挽側(cè)功率開關(guān)管的軟開關(guān)工作，能夠滿足PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的要求，可以增加PEMFC的壽命。仿真結(jié)果驗(yàn)證了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略的可行性。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

非隔離型雙向DC-DC變換器可以升降電壓，隔離型單向DC-DC變換器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)PEMFC輸出電壓的升壓，AC-DC變換器可以將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，DC-AC變換器可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓[13]。本文設(shè)計(jì)的變換器為圖1中黑線加粗的部分，即為DC-DC變換器和DC-AC逆變器的組合。

圖1 PEMFC發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的變換器如圖2所示。圖2（a）中，變壓器左側(cè)在推挽電路的基礎(chǔ)上加入了有源鉗位電路，右側(cè)為全橋電路，將帶有源鉗位的前級(jí)電路和全橋電路相連接，其原邊可以在確保高電壓增益的前提下降低輸入電流紋波。在其組合拓?fù)涞幕A(chǔ)上加入耦合電感IL，將電路中殘余的電流順著IL2流走，能夠解決PEMFC啟動(dòng)和關(guān)斷對(duì)功率器件造成的影響，降低電路中功率元器件的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力；在副邊加入電容C6，能夠消除變壓器偏磁現(xiàn)象，削弱低頻電流紋波對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的影響。推挽側(cè)四個(gè)開關(guān)管Q1～Q4，Dq1～Dq4是其固有的寄生二極管，C3和C4為鉗位電容，Q1和Q2為輔助開關(guān)管，PEMFC的輸出電壓為24 V，直流側(cè)輸出電壓為380 V，LL為耦合電感，C5為輸入側(cè)電容，變壓器N1∶N2∶N3=10∶1∶1。全橋側(cè)四個(gè)開關(guān)管Qa1-Qa4，Dq1-Dq4是其固有的寄生二極管，C6為變壓器的隔離電容，C2為輸出側(cè)電容，R2和R3為線電阻，R1為輸出負(fù)載。

圖2（b）為兩電平DC-AC逆變器，包含六個(gè)開關(guān)管VT1～VT6，其固有的寄生二極管DT1～DT6，三相電感Labc，三相電容Cabc，三相電阻Rabc，電感LH以及電容CH。LH和CH是交流輸入側(cè)串聯(lián)的LC濾波器，可以有效地濾除輸入電流中的低頻交流成分，同時(shí)可以完全消除高頻交流成分，減小逆變器對(duì)直流變換器的影響[14]。Ua，Ub，Uc為相電壓，UAB，UBC，UCA為線電壓。

圖2 設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2 開關(guān)模態(tài)及變換器參數(shù)

2.1 帶有源鉗位的推挽全橋變換器的部分開關(guān)模態(tài)

帶有源鉗位的推挽全橋變換器的主要波形如 圖3所示。Q3和Q4起主要控制作用，相移為T/2，Q3和Q4占空比相等，占空比小于0.5。Q1和Q2與串聯(lián)的電容C3和C4起鉗位作用，Q1和Q2占空比相等，Q1與Q3的占空比互補(bǔ)，Q2與Q4的占空比互補(bǔ)。通過引入延時(shí)控制模塊控制Qa3和Qa4，可以在t1-t2模態(tài)和t6-t7模態(tài)實(shí)現(xiàn)推挽側(cè)功率開關(guān)管的軟開關(guān)開工作，軟開關(guān)工作模態(tài)如圖4所示。

圖3 推挽全橋變換器的主要波形

圖4 軟開關(guān)工作的開關(guān)模態(tài)

2.2 帶有源鉗位的推挽全橋升壓變換器參數(shù)

本文設(shè)計(jì)的DC-AC變換器的參數(shù)如表1所示。

表1 變換器基礎(chǔ)參數(shù)

3 閉環(huán)數(shù)字控制器設(shè)計(jì)

對(duì)于本文設(shè)計(jì)的DC-AC逆變器，提出一種新型的控制策略，用于降低PEMFC的輸出低頻電流紋波，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)直流側(cè)部分開關(guān)管的零電壓 啟動(dòng)。

圖3中，前級(jí)DC-DC變換器在連續(xù)電流條件下的直流電壓傳遞函數(shù)為：

式中：N=N1/N2，D3為電壓環(huán)控制輸出的占空比，VDC為直流母線電壓，VFC為PEMFC輸入電壓。

濾波后的直流輸出電壓和輸出電流可以表 示為：

由式（2）和（3）可得功率為：

式中：VBC為交流輸出的相電壓，iBC為交流輸出的相電流，PBC為交流輸出功率。

根據(jù)輸出功率等于輸入功率可得：

由式（4）和（5）可得直流輸出電流為：

由式（6）和電荷守恒定律可得輸出的直流母線電壓為：

采用帶有擾動(dòng)占空比D1的最大功率跟蹤控 制，能夠有效地降低其輸出電流紋波，由圖4可得D1為：

式中：kp為比例控制增益。故可得：

式中：D2是當(dāng)前紋波減少的紋波消除占空比。式（9）可以轉(zhuǎn)化為：

將式（1）和（7）代入式（10）可得：

根據(jù)式（12）可得，該系統(tǒng)為閉環(huán)的數(shù)字控制系統(tǒng)，可以獲得最佳的控制性能，不需要額外再添加硬件，可以純控制實(shí)現(xiàn)。整個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的控制框圖如圖5所示。整個(gè)DC-AC逆變器的控制是在閉環(huán)的數(shù)字控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入延時(shí)控制模塊實(shí)現(xiàn)的。延時(shí)控制模塊通過控制副邊Qa3和Qa4的導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)原邊功率開關(guān)管Q1和Q2的軟開關(guān)工作?？刂频暮蠹?jí)逆變電路采用兩電平逆變器，控制部分首先進(jìn)行交流部分參數(shù)檢測(cè)，其次進(jìn)行環(huán)路控制，最后輸出SPWM波形，實(shí)現(xiàn)交流電壓輸出。

圖5 控制策略框圖

4 仿真結(jié)果

4.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制器設(shè)計(jì)

本文改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略在Matlab/Simlink環(huán)境中搭建DC-AC變換器的仿真模型如 圖6所示。

可以看出，圖6（a）為整個(gè)逆變器的結(jié)構(gòu)，圖6（b）為DC-DC變換器的結(jié)構(gòu)，通過圖6（c）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-DC變換器的控制，通過圖6（d）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)DC-AC逆變器的控制。

圖6 Matlab仿真模型搭建

4.2 仿真結(jié)果分析

低壓側(cè)PEMFC輸出電壓為48 V，直流輸出電壓為380 V，其波形如圖7所示。Q3和Q4為主控開關(guān)管，Q1和Q2為輔助開關(guān)管。當(dāng)Q3和Q4約為0.3，Q1和Q2約為0.7時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)DC-DC部分的升壓變換。DC-AC部分線電壓為380 V，其波形如圖8 所示。

圖7 直流輸出電壓

圖8 DC-AC逆變器線電壓輸出

PEMFC的輸出電流紋波波形如圖9所示。從圖9可以看出，輸入電流紋波約為1.3%，可以達(dá)到PEMFC發(fā)電系統(tǒng)對(duì)低頻電流紋波的要求。

圖9 直流輸入電流紋波

4.3 仿真結(jié)果對(duì)比

本文設(shè)計(jì)的變換器與其他變換器的參數(shù)對(duì)比如表2所示。其中Ns，ND，NL，NC分別為開關(guān)管、二極管、電感及電容的數(shù)量，ZVS為零電壓開關(guān)，ZCS為零電流開關(guān)。

由表2可知，帶鉗位的推挽電路有較高的低頻電流紋波，文獻(xiàn)[12]提出的前級(jí)為交錯(cuò)連接反激式DC-DC變換器，后級(jí)為全橋式逆變器的變換器雖然能夠?qū)崿F(xiàn)開關(guān)管的軟開關(guān)工作，但是其本身有很高的低頻電流紋波，會(huì)降低PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命；文獻(xiàn)[4]提出的前級(jí)DC-DC變換器采用推挽電路，后級(jí)DC-AC采用半橋式逆變器的變換器雖然電流紋波為2.73%，達(dá)到了要求的5%以下，但不能解決開關(guān)啟停對(duì)電路造成的危害，仍然會(huì)縮短PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的使用壽命。本文提出的變換器其電流紋波為1.30%，且能實(shí)現(xiàn)推挽側(cè)功率開關(guān)管的軟開關(guān)工作。

表2 DC-AC變換器參數(shù)對(duì)比

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一種前級(jí)為隔離式DC-DC變換器，后級(jí)為半橋式DC-AC逆變器的變換器結(jié)構(gòu)，并提出了一種閉環(huán)控制策略。本文詳細(xì)說明了該變換器的工作原理，并說明了低頻輸入電流紋波對(duì)PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的性能和使用壽命的影響，綜合設(shè)計(jì)了閉環(huán)數(shù)字控制器和時(shí)間延時(shí)控制結(jié)合的一種控制方法。仿真結(jié)果表明：部分開關(guān)管能夠?qū)崿F(xiàn)軟開關(guān)工作，降低了開關(guān)管損耗，延長(zhǎng)了開關(guān)管壽命，但是由于引入了時(shí)間延時(shí)模塊，并不是所有得開關(guān)管都能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)運(yùn)行；該變換器中耦合電感與LCR濾波電路結(jié)合，為電感電流提供了續(xù)流通道，免除了PEMFC在啟動(dòng)過程中電感電感電流飽和問題；數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)能夠降低輸入的低頻電流紋波，輸入低頻電流紋波為1.30%，滿足PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的需求。因此，本文設(shè)計(jì)的帶有源鉗位的隔離式DC-AC逆變器和提出的控制策略適用于PEMFC發(fā)電系統(tǒng)。