一种燃料电池独立发电逆变器的研究

1　引言

燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化 学能直接转化为电能的装置。当燃料和氧化剂源源 不断地向燃料电池供给时,它就可以连续发电。燃 料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,洁净、 无污染、噪声低,模块结构、积木性强、比功率高,既 可以集中供电,也适合分散供电[1]。

质子交换膜燃料电池(PEFC,Polymer Electrolyte Fuel Cell)输出电压低,要想利用这种新型清洁能源 需要DC/DC升压和DC/AC逆变电路。同时要考虑 以下几点:

(1)为了保证燃料电池和负载安全使用,系统 输出与输入必须隔离。

(2)系统开始发电时,需设计相应的起动电路 使燃料电池开始化学反应。

(3)输出效率较高,减小运行成本。

(4)系统设计小型化,便于家庭安装。

文献[2,3]分析了利用正激变换器、推挽变换 器、半桥变换器以及全桥变换器拓扑的优缺点。文献[4,5]对不同的前端DC/DC变换器拓扑进行了仿 真与实验研究,文献[6~8]针对燃料电池动态性能 差,设计研究能量可以双向传递的变换器拓扑。 本文针对家庭应急电源系统,介绍了一种利用 燃料电池发电的逆变器拓扑及其控制方法,并通过 设计制作了一套5kW燃料电池独立发电实验装置, 经实际系统测试,逆变器输出交流220V电压正弦度 良好、安全可靠,验证了系统方案的可行性。

2　主电路控制原理

燃料电池逆变器主拓扑结构主要分4个部分 (图1所示):推挽起动电路、DC/DC升压电路、Buck 充电电路、DC/AC逆变电路。

2·1　推挽起动电路

燃料电池独立发电逆变器与其他新能源(如太 阳能发电,风力发电)不同,燃料电池正常工作首先 需燃料(氢气、空气)进入燃料电池,使燃料在催化剂 的作用下开始化学反应,当燃料电池输出端逐渐建 立电压后方可发电运行。因此,逆变器将24V蓄电 池经推挽起动电路将电压泵升到310V给变频器供 电,变频器驱动风机送入燃料,燃料电池化学反应开 始。图1中V10、V11开关管、推挽变压器T2组成推 挽起动电路。推挽起动电路主要波形如图2所示, V10、V11为驱动信号,Vpri变压器初级电压,Vsec变压 器次级电压,电感电压VL,电感电流iL。由电感能 量守恒可得,

匝数;Ns为推挽变压器次级绕组匝数;Vdc为直流母 线电压;D为占空比;Ts为开关管周期。

2·2　DC/DC升压电路

前端DC/DC升压电路将燃料电池输出的不平 稳的50V低压直流电变换成370V稳定的高压直流 电,如图1所示,由开关管V1~V4及高频变压器T1 构成主功率升压电路。对于隔离型高升压比变换器 而言,正激变换器、推挽变换器、半桥变换器以及全 桥变换器都可以作为拓扑的预选方案。比较这四种 变换器,正激变换器存在占空比限制和磁饱和复位 的问题;推挽变压器两个初级绕组很难做到完全一 致,实际电路中同样存在变压器的磁复位等问题。 因此,正激变换器和推挽变换器不适合作为大功率 应用的场合。全桥变换器虽然在器件使用的数量上 是半桥变换器的两倍,但是器件的电流和变压器匝 比却是半桥变换器的一半。可见,在同等功率条件 下,全桥变换器是对器件要求最低的一种拓扑。 图3所示为DC/DC变换器主要波形,由电感能 量守恒可得,

根据式(4)当燃料电池输入45~80V时,调整直 流母线稳压至370V,占空比范围在0·24~0·45之 间。

2·3　DC/AC逆变电路

DC/AC逆变电路由V5~V8构成,最后通过低通 滤波器L4、C4滤除高频谐波,输出失真率低的正弦 波。DC/AC逆变采用单极性调制[9,10]。与双极性调 制不同,这种调制方法在输出同样幅值基波电压时, 调制频率为载波频率的两倍,而且谐波幅值低于双 极性调制,使输出端滤波器设计更加容易。如图4 所示为单极性调制法,两调制波相位相差180°,正弦 调制波与三角载波比较生成驱动信号。驱动信号和 其互补信号分别驱动同桥臂的上、下开关管。经上 述调制后,高频逆变器输出如图5所示高频脉宽电 压Vab,经低通滤波器滤波,就可输出220V正弦交 流电。

为了获得动态响应快、输出稳定的交流正弦波, 系统采用PI闭环控制,控制框图如图5所示,该闭 环系统有效值外环采用PI调节器进行控制,瞬时值 内环采用比例调节控制,前者可以保证输出电压的 无静差,从而获得很好的稳态电压精度;后者保证对输出负载突变的瞬态响应,快速性好。瞬时值环是 比例调节属于有静差调节,但由于它是内环调节,并不会影响到输出电压的稳态精度。因此,该系统的 控制方式简单有效。

2·4　Buck充电电路

系统通过蓄电池起动后,需要及时地给蓄电池 充电以备下一次使用。V9、VD13、VD14、L5组成Buck 充电电路。充电流程图如图6所示,蓄电池采用恒 压限流方式充电。充电时,蓄电池电压在28·2V~ 28·8V之间,充电电流不超过容值的四分之一,当电 流小于容量的千分之六时,认为电池充满。此时只 需以涓流充电弥补电池的自放电损失。

因此,系统检测充电电流和蓄电池电压,若电流 或者蓄电池电压超过允许最大值,减小充电电流;否则就以蓄电池允许充电的最大值给蓄电池充电。这 样既保护了蓄电池,又能够在最短的时间内给蓄电 池充电。实现了效率与安全的统一。

3　逆变器控制保护设置

PEFC燃料电池是由单体电池串联而成,单体开 路电压在1·15V左右,加负载后,下降到0·6V,当燃 料电池以一定功率工作时,过低的电压会使燃料电 池输出电流过大,以致损坏燃料电池结构,减少其使 用寿命,所以燃料电池输出需设置欠压和输入过流 保护电路;为了有效地保护直流母线,还设置燃料电 池输入过压保护、前端DC/DC变换器输出过压保护 以及DC/DC控制板开关电源的故障保护、蓄电池欠 压保护、蓄电池过压保护、充电过流保护等等。表1 所示为系统所需的所有保护。

4　实验结果

本逆变器使用5kW质子交换膜燃料电池,燃料 电池输入直流电压45V~90V,起动电源使用2节 12V/10Ah蓄电池串联,逆变器负载带500W燃料供 给风机、3kW灯泡、6个燃料电池冷却风扇以及外围 辅助电路。经现场测试(如图10),图7为交流220V 输出电压电流波形,上面为输出电压波形,下面为输 出电流波形,交流输出电压波形正弦度好,通过 AGILENT54624A示波器测试THD小于4%,燃料电 池逆变器系统稳定;图8为燃料电池输入与逆变器 效率曲线,逆变器交流输出1·5kW时,效率为92%, 交流输出3kW时,效率为84%,系统效率较高。图 9为输出功率与输出电压关系曲线。输出电压特性 较硬。

5　小结

本文针对普通家庭用燃料电池应急电源系统, 满足家用电器以及其他一些特殊急需供电装置在无 电条件下对电力的需要,介绍了一种燃料电池发电 的逆变器的拓扑结构及其控制方法,设计并制作了 一套使用5kW PEFC燃料电池独立发电实验装置, 最后经实际系统测试,逆变器输出交流220V电压正 弦度良好、安全可靠,本设计控制、保护完整,通过实 际系统性能测试,验证了该设计的合理性以及系统 方案的可行性。