一種燃料電池獨(dú)立發(fā)電逆變器的研究

1　引言

燃料電池是一種將儲(chǔ)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 不斷地向燃料電池供給時(shí),它就可以連續(xù)發(fā)電。燃 料電池不受卡諾循環(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(qiáng)、比功率高,既 可以集中供電,也適合分散供電[1]。

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEFC,Polymer Electrolyte Fuel Cell)輸出電壓低,要想利用這種新型清潔能源 需要DC/DC升壓和DC/AC逆變電路。同時(shí)要考慮 以下幾點(diǎn):

(1)為了保證燃料電池和負(fù)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(shí),需設(shè)計(jì)相應(yīng)的起動(dòng)電路 使燃料電池開始化學(xué)反應(yīng)。

(3)輸出效率較高,減小運(yùn)行成本。

(4)系統(tǒng)設(shè)計(jì)小型化,便于家庭安裝。

文獻(xiàn)[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?fù)涞膬?yōu)缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[4,5]對(duì)不同的前端DC/DC變換器拓?fù)溥M(jìn)行了仿 真與實(shí)驗(yàn)研究,文獻(xiàn)[6~8]針對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)性能 差,設(shè)計(jì)研究能量可以雙向傳遞的變換器拓?fù)洹?本文針對(duì)家庭應(yīng)急電源系統(tǒng),介紹了一種利用 燃料電池發(fā)電的逆變器拓?fù)浼捌淇刂品椒?并通過 設(shè)計(jì)制作了一套5kW燃料電池獨(dú)立發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置, 經(jīng)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試,逆變器輸出交流220V電壓正弦度 良好、安全可靠,驗(yàn)證了系統(tǒng)方案的可行性。

2　主電路控制原理

燃料電池逆變器主拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要分4個(gè)部分 (圖1所示):推挽起動(dòng)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(dòng)電路

燃料電池獨(dú)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,燃料電池正常工作首先 需燃料(氫氣、空氣)進(jìn)入燃料電池,使燃料在催化劑 的作用下開始化學(xué)反應(yīng),當(dāng)燃料電池輸出端逐漸建 立電壓后方可發(fā)電運(yùn)行。因此,逆變器將24V蓄電 池經(jīng)推挽起動(dòng)電路將電壓泵升到310V給變頻器供 電,變頻器驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)送入燃料,燃料電池化學(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(dòng)電路。推挽起動(dòng)電路主要波形如圖2所示, V10、V11為驅(qū)動(dòng)信號(hào),Vpri變壓器初級(jí)電壓,Vsec變壓 器次級(jí)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(jí)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。

2·2　DC/DC升壓電路

前端DC/DC升壓電路將燃料電池輸出的不平 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。對(duì)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?fù)涞念A(yù)選方案。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(gè)初級(jí)繞組很難做到完全一 致,實(shí)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(chǎng)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。可見,在同等功率條件 下,全橋變換器是對(duì)器件要求最低的一種拓?fù)洹?圖3所示為DC/DC變換器主要波形,由電感能 量守恒可得,

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

2·3　DC/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(shí), 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(jì)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(dòng)信號(hào)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)和 其互補(bǔ)信號(hào)分別驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jìn)行控制,瞬時(shí)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(duì)輸出負(fù)載突變的瞬態(tài)響應(yīng),快速性好。瞬時(shí)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(huì)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。

2·4　Buck充電電路

系統(tǒng)通過蓄電池起動(dòng)后,需要及時(shí)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(shí),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(shí),認(rèn)為電池充滿。此時(shí)只 需以涓流充電彌補(bǔ)電池的自放電損失。

因此,系統(tǒng)檢測(cè)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(hù)了蓄電池,又能夠在最短的時(shí)間內(nèi)給蓄電 池充電。實(shí)現(xiàn)了效率與安全的統(tǒng)一。

3　逆變器控制保護(hù)設(shè)置

PEFC燃料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(fù)載后,下降到0·6V,當(dāng)燃 料電池以一定功率工作時(shí),過低的電壓會(huì)使燃料電 池輸出電流過大,以致?lián)p壞燃料電池結(jié)構(gòu),減少其使 用壽命,所以燃料電池輸出需設(shè)置欠壓和輸入過流 保護(hù)電路;為了有效地保護(hù)直流母線,還設(shè)置燃料電 池輸入過壓保護(hù)、前端DC/DC變換器輸出過壓保護(hù) 以及DC/DC控制板開關(guān)電源的故障保護(hù)、蓄電池欠 壓保護(hù)、蓄電池過壓保護(hù)、充電過流保護(hù)等等。表1 所示為系統(tǒng)所需的所有保護(hù)。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本逆變器使用5kW質(zhì)子交換膜燃料電池,燃料 電池輸入直流電壓45V~90V,起動(dòng)電源使用2節(jié) 12V/10Ah蓄電池串聯(lián),逆變器負(fù)載帶500W燃料供 給風(fēng)機(jī)、3kW燈泡、6個(gè)燃料電池冷卻風(fēng)扇以及外圍 輔助電路。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(cè)試THD小于4%,燃料電 池逆變器系統(tǒng)穩(wěn)定;圖8為燃料電池輸入與逆變器 效率曲線,逆變器交流輸出1·5kW時(shí),效率為92%, 交流輸出3kW時(shí),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(duì)普通家庭用燃料電池應(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(duì)電力的需要,介紹了一種燃料電池發(fā)電 的逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制方法,設(shè)計(jì)并制作了 一套使用5kW PEFC燃料電池獨(dú)立發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置, 最后經(jīng)實(shí)際系統(tǒng)測(cè)試,逆變器輸出交流220V電壓正 弦度良好、安全可靠,本設(shè)計(jì)控制、保護(hù)完整,通過實(shí) 際系統(tǒng)性能測(cè)試,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的合理性以及系統(tǒng) 方案的可行性。