1引言

燃料動力電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。當(dāng)燃料和氧化劑源源不斷地向燃料動力電池供給時,它就可以持續(xù)發(fā)電。燃料動力電池不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)換效率高,潔凈、無污染、噪聲低,模塊結(jié)構(gòu)、積木性強、比功率高,既可以集中供電,也適合分散供電[1]。

質(zhì)子交換膜燃料動力電池(pEFC,polymerElectrolyteFuelCell)輸出電壓低,要想利用這種新型清潔能源要DC/DC升壓和DC/AC逆變電路。同時要考慮以下幾點:

(1)為了保證燃料動力電池和負載安全使用,系統(tǒng)輸出與輸入必須隔離。

(2)系統(tǒng)開始發(fā)電時,需設(shè)計相應(yīng)的起動電路使燃料動力電池開始化學(xué)反應(yīng)。

(3)輸出效率較高,減小運行成本。

(4)系統(tǒng)設(shè)計小型化,便于家庭安裝。

文獻[2,3]分析了利用正激變換器、推挽變換器、半橋變換器以及全橋變換器拓撲的優(yōu)缺點。文獻[4,5]對不同的前端DC/DC變換器拓撲進行了仿真與實驗研究,文獻[6~8]針對燃料動力電池動態(tài)性能差,設(shè)計研究能量可以雙向傳遞的變換器拓撲。本文針對家庭應(yīng)急電源系統(tǒng),介紹了一種利用燃料動力電池發(fā)電的逆變器拓撲及其控制方法,并通過設(shè)計制作了一套5kW燃料動力電池獨立發(fā)電實驗裝置,經(jīng)實際系統(tǒng)測試,逆變器輸出交流220V電壓正弦度良好、安全可靠,驗證了系統(tǒng)方法的可行性。

2主電路控制原理

燃料動力電池逆變器主拓撲結(jié)構(gòu)重要分4個部分(圖1所示):推挽起動電路、DC/DC升壓電路、Buck充電電路、DC/AC逆變電路。

2·1推挽起動電路

燃料動力電池獨立發(fā)電逆變器與其他新能源(如太陽能發(fā)電,風(fēng)力發(fā)電)不同,燃料動力電池正常工作首先需燃料(氫氣、空氣)進入燃料動力電池,使燃料在催化劑的用途下開始化學(xué)反應(yīng),當(dāng)燃料動力電池輸出端逐漸建立電壓后方可發(fā)電運行。因此,逆變器將24V蓄電池經(jīng)推挽起動電路將電壓泵升到310V給變頻器供電,變頻器驅(qū)動風(fēng)機送入燃料,燃料動力電池化學(xué)反應(yīng)開始。圖1中V10、V11開關(guān)管、推挽變壓器T2組成推挽起動電路。推挽起動電路重要波形如圖2所示,V10、V11為驅(qū)動信號,Vpri變壓器初級電壓,Vsec變壓器次級電壓,電感電壓VL,電感電流iL。由電感能量守恒可得,

匝數(shù);Ns為推挽變壓器次級繞組匝數(shù);Vdc為直流母線電壓;D為占空比;Ts為開關(guān)管周期。

2·2DC/DC升壓電路

前端DC/DC升壓電路將燃料動力電池輸出的不平穩(wěn)的50V低壓直流電變換成370V穩(wěn)定的高壓直流電,如圖1所示,由開關(guān)管V1~V4及高頻變壓器T1構(gòu)成主功率升壓電路。關(guān)于隔離型高升壓比變換器而言,正激變換器、推挽變換器、半橋變換器以及全橋變換器都可以作為拓撲的預(yù)選方法。比較這四種變換器,正激變換器存在占空比限制和磁飽和復(fù)位的問題;推挽變壓器兩個初級繞組很難做到完全一致,實際電路中同樣存在變壓器的磁復(fù)位等問題。因此,正激變換器和推挽變換器不適合作為大功率應(yīng)用的場合。全橋變換器雖然在器件使用的數(shù)量上是半橋變換器的兩倍,但是器件的電流和變壓器匝比卻是半橋變換器的一半?？梢?在同等功率條件下,全橋變換器是對器件要求最低的一種拓撲。圖3所示為DC/DC變換器重要波形,由電感能量守恒可得,

根據(jù)式(4)當(dāng)燃料動力電池輸入45~80V時,調(diào)整直流母線穩(wěn)壓至370V,占空比范圍在0·24~0·45之間。

2·3DC/AC逆變電路

DC/AC逆變電路由V5~V8構(gòu)成,最后通過低通濾波器L4、C4濾除高頻諧波,輸出失真率低的正弦波。DC/AC逆變采用單極性調(diào)制[9,10]。與雙極性調(diào)制不同,這種調(diào)制方法在輸出同樣幅值基波電壓時,調(diào)制頻率為載波頻率的兩倍,而且諧波幅值低于雙極性調(diào)制,使輸出端濾波器設(shè)計更加容易。如圖4所示為單極性調(diào)制法,兩調(diào)制波相位相差180°,正弦調(diào)制波與三角載波比較生成驅(qū)動信號。驅(qū)動信號和其互補信號分別驅(qū)動同橋臂的上、下開關(guān)管。經(jīng)上述調(diào)制后,高頻逆變器輸出如圖5所示高頻脈寬電壓Vab,經(jīng)低通濾波器濾波,就可輸出220V正弦交流電。

為了獲得動態(tài)響應(yīng)快、輸出穩(wěn)定的交流正弦波,系統(tǒng)采用pI閉環(huán)控制,控制框圖如圖5所示,該閉環(huán)系統(tǒng)有效值外環(huán)采用pI調(diào)節(jié)器進行控制,瞬時值內(nèi)環(huán)采用比例調(diào)節(jié)控制,前者可以保證輸出電壓的無靜差,從而獲得很好的穩(wěn)態(tài)電壓精度;后者保證對輸出負載突變的瞬態(tài)響應(yīng),快速性好。瞬時值環(huán)是比例調(diào)節(jié)屬于有靜差調(diào)節(jié),但由于它是內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié),并不會影響到輸出電壓的穩(wěn)態(tài)精度。因此,該系統(tǒng)的控制方式簡單有效。

2·4Buck充電電路

系統(tǒng)通過蓄電池起動后,要及時地給蓄電池充電以備下一次使用。V9、VD13、VD14、L5組成Buck充電電路。充電流程圖如圖6所示,蓄電池采用恒壓限流方式充電。充電時,蓄電池電壓在28·2V~28·8V之間,充電電流不超過容值的四分之一,當(dāng)電流小于容量的千分之六時,認為電池充滿。此時只需以涓流充電彌補電池的自放電損失。

因此,系統(tǒng)檢測充電電流和蓄電池電壓,若電流或者蓄電池電壓超過允許最大值,減小充電電流;否則就以蓄電池允許充電的最大值給蓄電池充電。這樣既保護了蓄電池,又能夠在最短的時間內(nèi)給蓄電池充電。實現(xiàn)了效率與安全的統(tǒng)一。

3逆變器控制保護設(shè)置

pEFC燃料動力電池是由單體電池串聯(lián)而成,單體開路電壓在1·15V左右,加負載后,下降到0·6V,當(dāng)燃料動力電池以一定功率工作時,過低的電壓會使燃料動力電池輸出電流過大,以致?lián)p壞燃料動力電池結(jié)構(gòu),減少其使用壽命,所以燃料動力電池輸出需設(shè)置欠壓和輸入過流保護電路;為了有效地保護直流母線,還設(shè)置燃料動力電池輸入過壓保護、前端DC/DC變換器輸出過壓保護以及DC/DC控制板開關(guān)電源的故障保護、蓄電池欠壓保護、蓄電池過壓保護、充電過流保護等等。表1所示為系統(tǒng)所需的所有保護。

4實驗結(jié)果

本逆變器使用5kW質(zhì)子交換膜燃料動力電池,燃料動力電池輸入直流電壓45V~90V,起動電源使用2節(jié)12V/10Ah蓄電池串聯(lián),逆變器負載帶500W燃料供給風(fēng)機、3kW燈泡、6個燃料動力電池冷卻風(fēng)扇以及外圍輔助電路。經(jīng)現(xiàn)場測試(如圖10),圖7為交流220V輸出電壓電流波形,上面為輸出電壓波形,下面為輸出電流波形,交流輸出電壓波形正弦度好,通過AGILENT54624A示波器測試THD小于4%,燃料動力電池逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定;圖8為燃料動力電池輸入與逆變器效率曲線,逆變器交流輸出1·5kW時,效率為92%,交流輸出3kW時,效率為84%,系統(tǒng)效率較高。圖9為輸出功率與輸出電壓關(guān)系曲線。輸出電壓特性較硬。

5小結(jié)

本文針對普通家庭用燃料動力電池應(yīng)急電源系統(tǒng),滿足家用電器以及其他一些特殊急需供電裝置在無電條件下對電力的要,介紹了一種燃料動力電池發(fā)電的逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)及其控制方法,設(shè)計并制作了一套使用5kWpEFC燃料動力電池獨立發(fā)電實驗裝置,最后經(jīng)實際系統(tǒng)測試,逆變器輸出交流220V電壓正弦度良好、安全可靠,本設(shè)計控制、保護完整,通過實際系統(tǒng)性能測試,驗證了該設(shè)計的合理性以及系統(tǒng)方法的可行性。

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