基于PEMFC发电机的DC-DC变换器的建模与仿真

付尚琛,徐 晔,陈向锋,王 巍

(解放军理工大学工程兵工程学院,南京 210007)

以质子交换膜燃料电池(PEM FC)为主体的氢能发电机具有无污染、高效率、无噪声、热辐射小和模块化的特点,具有十分广阔的应用前景。由于PEMFC发电机发出的是一种电特性独特的直流电,它的负载输出特性与目前绝大多数用电负荷的用电特性不一致,不仅动态情况下输出电压变化剧烈,静态情况下的负载电压与空载电压之间也存在很大的差异,因此,在PEMFC发电机与用电设备之间通常需要进行电能变换,通过一个前级DC/DC变换器来将其输出电压提升并稳定在所需要的电压水平。

1 PEMFC氢能发电机DC/DC变换器的主电路及参数选择

根据已经研制的5 kW PEMFC发电机的工作及其电气特性要求所得到DC/DC变换器的技术指标,输入电压为直流50～90 V,开关频率为20 kHz,输出电压为直流380 V,最大输出功率为5 kW。由于本文所研究的DC/DC变换器属于功率较大的变换器,而且高频变压器次级和初级侧的电压比达到9.6∶1,又要求变压器的制作应尽可能简单,为满足上述要求,本文将采用移相全桥式ZVS-PWM功率变换技术,这种技术开关损耗小、效率高,对于上述要求具有较好的适应性,其中移相控制全桥ZVS-PWM DC/DC变换器电路,结构如图1所示。

图1 全桥移相控制ZVS-PWM DC/DC变换器主电路

DC/DC变换器的功率开关选择仙童公司的FGA 180N 30D,输出整流管选择西门康公司的整流桥SKB25/12(16),输入侧稳圧滤波超级电容由5个电容值为1.25μF的双电层电容器并联得到,隔直电容用4个220μF的无感电容并联得到。高频变压器的原副边匝数分别为5和48。

(1)输出滤波电感的选择[1-2]输出滤波电感一般都要求电感电流的最大脉动量为最大输出电流的10%～20%:

其中DC/DC变换器输出电压U out为380 V,最大占空比Dmax为0.9,开关周期Ts为50μs,最大电流I omax为14.7 A,计算可得L f=0.63 mH。

(2)输出滤波电容的选择 输出滤波电容的最小值可由下式得出[3]:

根据所设计的DC/DC变换器的性能要求,选择一个合适的输出电压脉动峰峰值ΔU o,就可以计算出所需的电容量。本文中ΔU o取1 V,得到输出滤波电容的最小值为22μF。由于LC滤波器对系统的稳定性有很大的影响,而且一个小的电感L和大的电容C将会使输出滤波器有一个低的浪涌阻抗,当负载阶跃变化时,变换器有一个理想的瞬间特性,故实际采用的电容为2200μF。

(3)谐振电感的选择 为实现滞后桥臂的零电压开关,必须满足下式:

式中:Lr是谐振电感,I是滞后桥臂开关管关断时原边电流的大小,Cds是开关管漏源极电容,Uin是母线直流电压。

由上式可知,要使得轻载时滞后桥臂实现零电压开关,谐振电感值尽可能大,但谐振电感过大又可能导致副边占空比丢失严重,因此谐振电感的取值应折中考虑这两方面的要求。本文中I为87.36 A,C d s取3420 pF,U in取最大值90 V,则可得谐振电感Lr不小于10 nH,结合高频变压器漏感最后取0.9μH。

2 DC/DC变换器的建模

Buck型 PWM 变换器的连续导通模式(CCM)下的小信号等效电路模型如图2所示。

图2 Buck型PWM变换器小信号等效电路模型

Buck变换器的控制-输出传递函数:

该移相全桥变换器与Buck变换器的不同之处在于移相全桥变换器的占空比为有效占空比Deff,记该变换器的原副边匝数比为1∶N,则移相全桥变换器的电压增益可表示为:

有效占空比:

由上式可见,D,I L,U in稍有一些扰动,相应的有效占空比D eff也会发生扰动。这样,三个不同的扰动量,和,将使有效占空比D eff产生相应的三种扰动,和;这与Buck变换器中占空比只有一种扰动量是完全不同的。以下分别推导D eff的这三种扰动量的表达式:

取Deff对Uo的扰动记为d^V,可得:

从而得到移相全桥变换器的小信号等效电路模型如图3所示。

图3 移相全桥变换器的小信号等效电路模型

由等效电路可得移相全桥变换器的控制-输出传递函数:

式中:RP=4N2Lrf

当实际参数取:U in=50～90 V,N=9.6,L f =0.63 mH,C f=2200μF,U o=380 V,R=U2o/ P o=28.88Ω,f=20 kH z,R p=4N2L r f=6.64 Ω时,可以得到:

为了验证所设计系统的稳定性,利用M ATLAB画出电压外环传递函数的开环Bode图和单位阶跃响应,如图4所示。

图4 移相全桥变换器电压外环传递函数开环Bode图和单位阶跃响应图

从图中可以看出,相角裕度接近33°,幅值裕度大约为70 dB,在单位阶跃响应中,系统经过大约0.06 s进入稳定状态,这说明所设计的系统具有很好的稳定性。

3 仿真及结果分析

利用MATLAB的Simulink平台对所建模型进行仿真,仿真电路如图5所示。

图5 系统仿真电路图

仿真电路参数设置如下:输入电压源为RL模型[4];高频逆变桥采用4个IGBT/Diodes搭接而成,IGBT功率开关管参数按FGA 180N30D的参数设置,漏源级间电容为3420 pF;单相高频变压器,容量5 kVA,频率20 kH z,变比为5/48;高频整流桥采用Diodes结构,并采用默认参数;隔直电容Cb=930μF,谐振电感L3=0.9μH,滤波电感L f=630μH,滤波电容C f=2200μF;中间直流参考值380 V;电压外环PI调节器比例系数10,积分系数0.005,输出限值-100到100;电流内环 PI调节器比例系数为 100,积分系数为0.0005,输出限值-25×10-6到25×10-6;采样时间2μs。

满载情况下系统的仿真波形如图6,这是一种超前桥臂和滞后桥臂的软开关波形,图中波峰高的波形为开关管两端的电压波形,波峰低的为开关管的驱动电压波形。从图中可以看出,当驱动电压加在开关管上时,开关管两端的电压下降到零,这说明系统实现了ZVS软开关。

图6 ZVS软开关

图7为系统突加负载和突减负载时的输出电压波形。

图7 负载突变时的输出电压波形

从图中可以看出,输出电压在系统开机后经过两个周期的调整逐步趋于稳定,突加负载时电压略有跌落,突减负载时电压突升,但电压跌落和突升小于1.4 V,这说明所设计的DC/DC变换器能很好地改善PEMFC的动态输出特性。

4 结论

PEMFC发电机的前级DC/DC变换器至关重要,负责系统的功率传输,其性能的优劣直接影响到整个系统的性能。

本文以5 kW PEMFC发电机为例,建立了其前级DC/DC变换器主电路的小信号模型,通过该模型传递函数分析了所设计系统的稳定性,并用MATLAB对所建模型进行了仿真,得到了其超前和滞后桥臂的软开关波形以及突然加减负载时输出电压波形的变化波形,通过对波形分析,可得所建模型是合理的。

[1] 杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] 吴勇军.基于电流型控制的低压大电流开关电源的研制[D].第二炮兵学院硕士论文,2001.

[3] 徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2005.11.

[4] 刘德勇,赵晓明,徐晔.PEMFC发电机电气模型及仿真研究[J].电气技术,2009(1):49-52.