基于固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)逆變器的研究

李修竹，魏立明

吉林建筑大學(xué) 電氣與計(jì)算機(jī)學(xué)院,長(zhǎng)春 130118

0 引言

燃料電池是一種新型綠色能源發(fā)電裝置,具備穩(wěn)定性能強(qiáng)、產(chǎn)物污染低等特點(diǎn),能將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?轉(zhuǎn)化效率高且對(duì)環(huán)境影響較小,可以極大地減少溫室氣體的排放量[1].與傳統(tǒng)電池相比, SOFC自身具備高效率、清潔、高溫操作和使用周期長(zhǎng)等顯著特點(diǎn),這種新型發(fā)電技術(shù)是現(xiàn)階段發(fā)展速度最快的新能源技術(shù)之一,人們對(duì)其研究的關(guān)注度極高.由于燃料電池輸送的電壓并不穩(wěn)定且改變范圍很大,因此本文針對(duì)在固體氧化物燃料電池發(fā)生的這一情形使用了DC/DC變換器.自動(dòng)變換器的電源開(kāi)關(guān)控制方式采取了單極性倍頻SPWM調(diào)制方法,其中前級(jí)使用隔離式全橋DC/DC變換器,而后級(jí)則采取使用單相全橋PWM逆變器,將前一級(jí)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的穩(wěn)定直流輸出電壓逆變?yōu)榻涣麟妷?改善了輸出電壓的穩(wěn)定性,減小了超調(diào)量[2].

1 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)模型

固體氧化物燃料電池(SOFC)、DC/DC變換器、DC/AC逆變器、LC濾波器這4個(gè)部分組成了SOFC發(fā)電管理系統(tǒng).逆變器控制系統(tǒng)主要由兩級(jí)逆變器所組成,其中前級(jí)的變換器采取隔離式全橋DC/DC變換器的類(lèi)型,將SOFC輸出的低壓直流電轉(zhuǎn)化成高壓直流電,而后一級(jí)逆變器使用單相全橋PWM逆變器,在其接收到高壓直流電后,再通過(guò)濾波器將直流電中的高次諧波通過(guò)濾波濾出,最終輸出可供負(fù)載使用的穩(wěn)定的交流電.SOFC發(fā)電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Solid oxide fuel cell power generation system structure

2 DC/DC斬波變換器的設(shè)計(jì)

2.1 DC/DC變換器應(yīng)需要具備的作用

DC/DC變換器,是能將一個(gè)直流電壓轉(zhuǎn)換成另一個(gè)直流電壓的變換器,是燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中較為重要組成部分之一,要求變換器必須具有較高的轉(zhuǎn)換率;因?yàn)槿剂想姵氐妮敵鎏匦攒?因此為了能夠提供輸出平穩(wěn)的電壓,還要求變換器具有自我適應(yīng)能力和升壓能力[3].

燃料電池DC/DC變換器將電池輸出的不平衡的和改變范圍較大的直流電轉(zhuǎn)換為平穩(wěn)、高效且符合規(guī)定的直流電,并且DC/DC變換器應(yīng)做到對(duì)電流、電壓、輸出的功率等實(shí)現(xiàn)高效和精確地管理,從而可以大幅度提高SDFC使用的安全性和可靠性，延長(zhǎng)電池的使用壽命,拓寬其使用范圍[4].同時(shí),DC/DC變換器還需具有能夠較好地配合燃料電池輸出功率;DC/DC變換器還應(yīng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng).

2.2 DC/DC變換器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的因素

由于燃料電池所輸送的電壓為低壓直流電,一旦負(fù)荷變化,導(dǎo)致輸出的電壓變化范圍變廣而動(dòng)態(tài)反應(yīng)速度降低,這就必須要求DC/DC變換器在適應(yīng)低壓大電流和寬區(qū)域輸入電壓的環(huán)境下正常工作的同時(shí)，還需具備較快的響應(yīng)速度.

圖2 燃料電池輸出V-I曲線Fig.2 The fuel cell output curve of V-I

如圖2所示,燃料電池(F/C)輸出的V-I曲線,隨著電流的不斷增加,F/C輸出電壓出現(xiàn)較為明顯的變化，可以分為以下3個(gè)階段:

(1) 當(dāng)F/C空載時(shí),所輸出的電壓值達(dá)到最高,屬于理想狀態(tài).

(2) 當(dāng)F/C輸出功率增加時(shí),輸出電流增加，然而輸出電壓急劇減小,主要由于電極的反應(yīng)速度有限，產(chǎn)生的電壓會(huì)有一部分損耗;當(dāng)輸出功率逐漸達(dá)到某一指定值時(shí),電壓開(kāi)始緩慢降低.

(3) 隨著輸出功率的不斷提高,輸出電流繼續(xù)增加,輸出電壓以相對(duì)較慢的速率逐漸減少直至平緩.

所以,燃料電池輸出功率的波動(dòng)極易對(duì)輸出的電壓形成負(fù)面影響,從而降低了燃料效率,這是由于燃料電池的輸出特性較軟所致[5].

由此得出,燃料電池發(fā)電控制系統(tǒng) DC/DC變換器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮的因素包括:① 適合高升壓下工作,具有較高的轉(zhuǎn)化效率;② 帶限流功能,可控制SOFC的最大輸出功率;③ 輸入輸出實(shí)現(xiàn)電氣隔離;④ 高動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能,穩(wěn)態(tài)誤差小、魯棒性強(qiáng);⑤ 體積小、可靠性良好、效率高.

2.3 DC/DC變換器設(shè)計(jì)

固體氧化物燃料電池電堆期望輸出的電壓值為40 V,當(dāng)負(fù)荷輸出的功率發(fā)生改變時(shí),電堆輸出電壓的波動(dòng)大小低于負(fù)載的使用電壓,所以在燃料電池發(fā)電系統(tǒng)從輸出電壓到負(fù)載的過(guò)程中必須先經(jīng)DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行升壓變換.逆變器影響了在整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中產(chǎn)生的費(fèi)用與效益,故本文設(shè)計(jì)逆變器的轉(zhuǎn)換利用效率超過(guò)85 %,也需提高前級(jí)DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率[6].

經(jīng)過(guò)上述分析,本文對(duì) SOFC 的發(fā)電系統(tǒng)將隔離式全橋DC/DC轉(zhuǎn)換電路做為前級(jí).前級(jí)的隔離式升壓全橋器由輸入電壓Ui、電感L、全橋逆變電路Q(chēng)1～Q4、隔離式變壓器的升壓變比nT、全橋整流變換電路D1～D4、濾波電容C0,負(fù)荷RL組成.開(kāi)關(guān)管控制Q1,Q2,Q3和Q4之間的導(dǎo)通和斷開(kāi),交流電壓的方型波從原邊獲得,然后再經(jīng)變壓器進(jìn)行升壓后,從變壓器的高壓側(cè)獲得一個(gè)輸入工作電壓幅值為nT倍的電壓.圖3為隔離式升壓全橋DC/DC變換器的基本結(jié)構(gòu)圖.

圖3 隔離型升壓全橋變換器基本結(jié)構(gòu)Fig.3 Basic structure of isolated boost full bridge converter

圖4 全橋逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.4 Full bridge inverter circuit topology

3 DC/AC逆變器的設(shè)計(jì)

前一級(jí)使用了隔離式全橋DC/DC變換器將燃料電池不穩(wěn)定直流電壓進(jìn)行升壓變換，后一級(jí)則使用單相全橋逆變器,利用此電源系統(tǒng)頻率較低的低壓開(kāi)關(guān)電源頻率,有利于降低開(kāi)關(guān)器件損耗,提高系統(tǒng)效率.逆變電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示.

VAB(ωt)=-VAB(ωt+π)=-VAB(-ωt)

(1)

VAB基波幅值為:

(2)

n次諧波幅值為:

(3)

4 SPWM控制原理

SPWM控制方式就是通過(guò)控制逆變器橋臂上開(kāi)關(guān)狀態(tài),輸出一系列等幅不等寬方波用來(lái)替換信號(hào)波.SPWM的調(diào)制原理如圖5所示.

本文按照SPWM控制原理,設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于單相全橋式逆變電路中的濾波器,其基本結(jié)構(gòu)如圖6所示.Lf1,Lf2和Lf3為正常電感,CMR-Lf是共模抑制電感(一個(gè)鐵芯上纏繞兩個(gè)線圈),起阻止共模干擾的作用.

5 逆變器仿真模型設(shè)計(jì)

根據(jù)以上分析方法,使用Matlab構(gòu)建了SOFC的逆變器的模擬結(jié)果分析模型,其中首先引入DC/DC隔離式全橋變換器,轉(zhuǎn)換器采用單極性倍頻 SPWM 控制開(kāi)關(guān),將直接轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏褐绷麟?后一級(jí)將高壓直流電直接通過(guò)全橋逆變器,并且逆變成交流電.逆變器仿真模型如圖7所示.

圖5 SPWM調(diào)制原理Fig.5 SPWM modulation schematic diagram

圖6 濾波器結(jié)構(gòu)Fig.6 Filter structure

圖7 逆變器仿真模型Fig.7 Inverter simulation model

5.1 仿真模型分析

前級(jí)DC/DC隔離全橋變換器V0min=400 V,fs=20 kHz,I0max=4.54 A,變比n=20，Vin=40 V，VD=0,8 V,L=10 mH.如圖8所示,能夠清晰看到從零開(kāi)始后電壓出現(xiàn)了迅速增加態(tài)勢(shì),在0.5 s時(shí)達(dá)到理想值,在0.78 s～0.84 s期間負(fù)載出現(xiàn)突變導(dǎo)致電壓產(chǎn)生不平穩(wěn)狀況,在0.85 s左右穩(wěn)定回歸到了理想狀態(tài).將電堆中輸出低壓直流電升為較平穩(wěn)的400 V高壓直流電,為后級(jí)逆變器帶來(lái)了較平穩(wěn)的母線直流電壓.

f=25 Hz為開(kāi)關(guān)的頻率,前一級(jí)DC/DC變換器的輸出電壓為VDC=400 V,ΔIC≈0.45 A,L=4 mH,C=2.2 μF,從圖9得知,在SOFC單獨(dú)工作時(shí),220 V/50 Hz輸出電壓呈正弦波形,波形穩(wěn)定.因此利用Matlab/Simulink軟件模擬得出結(jié)果,設(shè)計(jì)均符合要求.

圖8 隔離式全橋逆變電路的直流母線電壓Fig.8 DC bus voltage diagram of isolated of full-bridge inverter circuit

圖9 全橋逆變電路輸出電壓Fig.9 Full-bridge inverter output voltage

6 結(jié)論

本文基于固體氧化物燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的基本設(shè)想，將由電池電堆提供的40 V低壓直流電通過(guò)DC/DC逆變器升壓至400 V的高壓直流電,再經(jīng)全橋逆變器轉(zhuǎn)化為220 V/50 Hz的交流電供負(fù)荷使用,應(yīng)用Matlab軟件配合設(shè)計(jì)的參數(shù)搭建系統(tǒng)模型數(shù)進(jìn)行仿真設(shè)計(jì).結(jié)果表明,可以得到穩(wěn)定的220 V/50 Hz的交流電,控制策略良好,逆變器的設(shè)計(jì)符合供電要求.