基于固体氧化物燃料电池发电系统逆变器的研究

李修竹，魏立明

吉林建筑大学 电气与计算机学院,长春 130118

0 引言

燃料电池是一种新型绿色能源发电装置,具备稳定性能强、产物污染低等特点,能将化学能直接转变为电能,转化效率高且对环境影响较小,可以极大地减少温室气体的排放量[1].与传统电池相比, SOFC自身具备高效率、清洁、高温操作和使用周期长等显著特点,这种新型发电技术是现阶段发展速度最快的新能源技术之一,人们对其研究的关注度极高.由于燃料电池输送的电压并不稳定且改变范围很大,因此本文针对在固体氧化物燃料电池发生的这一情形使用了DC/DC变换器.自动变换器的电源开关控制方式采取了单极性倍频SPWM调制方法,其中前级使用隔离式全桥DC/DC变换器,而后级则采取使用单相全桥PWM逆变器,将前一级转换器产生的稳定直流输出电压逆变为交流电压,改善了输出电压的稳定性,减小了超调量[2].

1 固体氧化物燃料电池发电系统模型

固体氧化物燃料电池(SOFC)、DC/DC变换器、DC/AC逆变器、LC滤波器这4个部分组成了SOFC发电管理系统.逆变器控制系统主要由两级逆变器所组成,其中前级的变换器采取隔离式全桥DC/DC变换器的类型,将SOFC输出的低压直流电转化成高压直流电,而后一级逆变器使用单相全桥PWM逆变器,在其接收到高压直流电后,再通过滤波器将直流电中的高次谐波通过滤波滤出,最终输出可供负载使用的稳定的交流电.SOFC发电系统体系结构如图1所示.

图1 固体氧化物燃料电池发电系统体系结构Fig.1 Solid oxide fuel cell power generation system structure

2 DC/DC斩波变换器的设计

2.1 DC/DC变换器应需要具备的作用

DC/DC变换器,是能将一个直流电压转换成另一个直流电压的变换器,是燃料电池发电系统中较为重要组成部分之一,要求变换器必须具有较高的转换率;因为燃料电池的输出特性软,因此为了能够提供输出平稳的电压,还要求变换器具有自我适应能力和升压能力[3].

燃料电池DC/DC变换器将电池输出的不平衡的和改变范围较大的直流电转换为平稳、高效且符合规定的直流电,并且DC/DC变换器应做到对电流、电压、输出的功率等实现高效和精确地管理,从而可以大幅度提高SDFC使用的安全性和可靠性，延长电池的使用寿命,拓宽其使用范围[4].同时,DC/DC变换器还需具有能够较好地配合燃料电池输出功率;DC/DC变换器还应具有较快的动态响应.

2.2 DC/DC变换器设计时应考虑的因素

由于燃料电池所输送的电压为低压直流电,一旦负荷变化,导致输出的电压变化范围变广而动态反应速度降低,这就必须要求DC/DC变换器在适应低压大电流和宽区域输入电压的环境下正常工作的同时，还需具备较快的响应速度.

图2 燃料电池输出V-I曲线Fig.2 The fuel cell output curve of V-I

如图2所示,燃料电池(F/C)输出的V-I曲线,随着电流的不断增加,F/C输出电压出现较为明显的变化，可以分为以下3个阶段:

(1) 当F/C空载时,所输出的电压值达到最高,属于理想状态.

(2) 当F/C输出功率增加时,输出电流增加，然而输出电压急剧减小,主要由于电极的反应速度有限，产生的电压会有一部分损耗;当输出功率逐渐达到某一指定值时,电压开始缓慢降低.

(3) 随着输出功率的不断提高,输出电流继续增加,输出电压以相对较慢的速率逐渐减少直至平缓.

所以,燃料电池输出功率的波动极易对输出的电压形成负面影响,从而降低了燃料效率,这是由于燃料电池的输出特性较软所致[5].

由此得出,燃料电池发电控制系统 DC/DC变换器设计时应充分考虑的因素包括:① 适合高升压下工作,具有较高的转化效率;② 带限流功能,可控制SOFC的最大输出功率;③ 输入输出实现电气隔离;④ 高动态响应性能,稳态误差小、鲁棒性强;⑤ 体积小、可靠性良好、效率高.

2.3 DC/DC变换器设计

固体氧化物燃料电池电堆期望输出的电压值为40 V,当负荷输出的功率发生改变时,电堆输出电压的波动大小低于负载的使用电压,所以在燃料电池发电系统从输出电压到负载的过程中必须先经DC/DC转换器进行升压变换.逆变器影响了在整个发电系统中产生的费用与效益,故本文设计逆变器的转换利用效率超过85 %,也需提高前级DC/DC变换器的转换效率[6].

经过上述分析,本文对 SOFC 的发电系统将隔离式全桥DC/DC转换电路做为前级.前级的隔离式升压全桥器由输入电压Ui、电感L、全桥逆变电路Q1～Q4、隔离式变压器的升压变比nT、全桥整流变换电路D1～D4、滤波电容C0,负荷RL组成.开关管控制Q1,Q2,Q3和Q4之间的导通和断开,交流电压的方型波从原边获得,然后再经变压器进行升压后,从变压器的高压侧获得一个输入工作电压幅值为nT倍的电压.图3为隔离式升压全桥DC/DC变换器的基本结构图.

图3 隔离型升压全桥变换器基本结构Fig.3 Basic structure of isolated boost full bridge converter

图4 全桥逆变电路拓扑结构Fig.4 Full bridge inverter circuit topology

3 DC/AC逆变器的设计

前一级使用了隔离式全桥DC/DC变换器将燃料电池不稳定直流电压进行升压变换，后一级则使用单相全桥逆变器,利用此电源系统频率较低的低压开关电源频率,有利于降低开关器件损耗,提高系统效率.逆变电路的拓扑结构如图4所示.

VAB(ωt)=-VAB(ωt+π)=-VAB(-ωt)

(1)

VAB基波幅值为:

(2)

n次谐波幅值为:

(3)

4 SPWM控制原理

SPWM控制方式就是通过控制逆变器桥臂上开关状态,输出一系列等幅不等宽方波用来替换信号波.SPWM的调制原理如图5所示.

本文按照SPWM控制原理,设计一个应用于单相全桥式逆变电路中的滤波器,其基本结构如图6所示.Lf1,Lf2和Lf3为正常电感,CMR-Lf是共模抑制电感(一个铁芯上缠绕两个线圈),起阻止共模干扰的作用.

5 逆变器仿真模型设计

根据以上分析方法,使用Matlab构建了SOFC的逆变器的模拟结果分析模型,其中首先引入DC/DC隔离式全桥变换器,转换器采用单极性倍频 SPWM 控制开关,将直接转变为高压直流电,后一级将高压直流电直接通过全桥逆变器,并且逆变成交流电.逆变器仿真模型如图7所示.

图5 SPWM调制原理Fig.5 SPWM modulation schematic diagram

图6 滤波器结构Fig.6 Filter structure

图7 逆变器仿真模型Fig.7 Inverter simulation model

5.1 仿真模型分析

前级DC/DC隔离全桥变换器V0min=400 V,fs=20 kHz,I0max=4.54 A,变比n=20，Vin=40 V，VD=0,8 V,L=10 mH.如图8所示,能够清晰看到从零开始后电压出现了迅速增加态势,在0.5 s时达到理想值,在0.78 s～0.84 s期间负载出现突变导致电压产生不平稳状况,在0.85 s左右稳定回归到了理想状态.将电堆中输出低压直流电升为较平稳的400 V高压直流电,为后级逆变器带来了较平稳的母线直流电压.

f=25 Hz为开关的频率,前一级DC/DC变换器的输出电压为VDC=400 V,ΔIC≈0.45 A,L=4 mH,C=2.2 μF,从图9得知,在SOFC单独工作时,220 V/50 Hz输出电压呈正弦波形,波形稳定.因此利用Matlab/Simulink软件模拟得出结果,设计均符合要求.

图8 隔离式全桥逆变电路的直流母线电压Fig.8 DC bus voltage diagram of isolated of full-bridge inverter circuit

图9 全桥逆变电路输出电压Fig.9 Full-bridge inverter output voltage

6 结论

本文基于固体氧化物燃料电池发电系统的基本设想，将由电池电堆提供的40 V低压直流电通过DC/DC逆变器升压至400 V的高压直流电,再经全桥逆变器转化为220 V/50 Hz的交流电供负荷使用,应用Matlab软件配合设计的参数搭建系统模型数进行仿真设计.结果表明,可以得到稳定的220 V/50 Hz的交流电,控制策略良好,逆变器的设计符合供电要求.