一種燃料電池獨立發電逆變器的研究

1　引言

燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化 學能直接轉化為電能的裝置。當燃料和氧化劑源源 不斷地向燃料電池供給時,它就可以連續發電。燃 料電池不受卡諾循環限制,能量轉換效率高,潔淨、 無汙染、噪聲低,模塊結構、積木性強、比功率高,既 可以集中供電,也適合分散供電[1]。

質子交換膜燃料電池(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。同時要考慮 以下幾點:

(1)為了保證燃料電池和負載安全使用,系統 輸出與輸入必須隔離。

(2)系統開始發電時,需設計相應的起動電路 使燃料電池開始化學反應。

(3)輸出效率較高,減小運行成本。

(4)系統設計小型化,便於家庭安裝。

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]針對燃料電池動態性能 差,設計研究能量可以雙向傳遞的變換器拓撲。 本文針對家庭應急電源系統,介紹了一種利用 燃料電池發電的逆變器拓撲及其控制方法,並通過 設計製作了一套5kW燃料電池獨立發電實驗裝置, 經實際系統測試,逆變器輸出交流220V電壓正弦度 良好、安全可靠,驗證了系統方案的可行性。

2　主電路控制原理

燃料電池逆變器主拓撲結構主要分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

燃料電池獨立發電逆變器與其他新能源(如太 陽能發電,風力發電)不同,燃料電池正常工作首先 需燃料(氫氣、空氣)進入燃料電池,使燃料在催化劑 的作用下開始化學反應,當燃料電池輸出端逐漸建 立電壓後方可發電運行。因此,逆變器將24V蓄電 池經推挽起動電路將電壓泵升到310V給變頻器供 電,變頻器驅動風機送入燃料,燃料電池化學反應開 始。圖1中V10、V11開關管、推挽變壓器T2組成推 挽起動電路。推挽起動電路主要波形如圖2所示, V10、V11為驅動信號,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 量守恆可得,

匝數;Ns為推挽變壓器次級繞組匝數;Vdc為直流母 線電壓;D為佔空比;Ts為開關管周期。

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 穩的50V低壓直流電變換成370V穩定的高壓直流 電,如圖1所示,由開關管V1~V4及高頻變壓器T1 構成主功率升壓電路。對於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選方案。比較這四種 變換器,正激變換器存在佔空比限制和磁飽和復位 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 應用的場合。全橋變換器雖然在器件使用的數量上 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,全橋變換器是對器件要求最低的一種拓撲。 圖3所示為DC/DC變換器主要波形,由電感能 量守恆可得,

根據式(4)當燃料電池輸入45~80V時,調整直 流母線穩壓至370V,佔空比範圍在0·24~0·45之 間。

2·3　DC/AC逆變電路

DC/AC逆變電路由V5~V8構成,最後通過低通 濾波器L4、C4濾除高頻諧波,輸出失真率低的正弦 波。DC/AC逆變採用單極性調製[9,10]。與雙極性調 制不同,這種調製方法在輸出同樣幅值基波電壓時, 調製頻率為載波頻率的兩倍,而且諧波幅值低於雙 極性調製,使輸出端濾波器設計更加容易。如圖4 所示為單極性調製法,兩調製波相位相差180°,正弦 調製波與三角載波比較生成驅動信號。驅動信號和 其互補信號分別驅動同橋臂的上、下開關管。經上 述調製後,高頻逆變器輸出如圖5所示高頻脈寬電 壓Vab,經低通濾波器濾波,就可輸出220V正弦交 流電。

為了獲得動態響應快、輸出穩定的交流正弦波, 系統採用PI閉環控制,控制框圖如圖5所示,該閉 環系統有效值外環採用PI調節器進行控制,瞬時值 內環採用比例調節控制,前者可以保證輸出電壓的 無靜差,從而獲得很好的穩態電壓精度;後者保證對輸出負載突變的瞬態響應,快速性好。瞬時值環是 比例調節屬於有靜差調節,但由於它是內環調節,並不會影響到輸出電壓的穩態精度。因此,該系統的 控制方式簡單有效。

2·4　Buck充電電路

系統通過蓄電池起動後,需要及時地給蓄電池 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,蓄電池採用恆 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,當電 流小於容量的千分之六時,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給蓄電 池充電。實現了效率與安全的統一。

3　逆變器控制保護設置

PEFC燃料電池是由單體電池串聯而成,單體開 路電壓在1·15V左右,加負載後,下降到0·6V,當燃 料電池以一定功率工作時,過低的電壓會使燃料電 池輸出電流過大,以致損壞燃料電池結構,減少其使 用壽命,所以燃料電池輸出需設置欠壓和輸入過流 保護電路;為了有效地保護直流母線,還設置燃料電 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 所示為系統所需的所有保護。

4　實驗結果

本逆變器使用5kW質子交換膜燃料電池,燃料 電池輸入直流電壓45V~90V,起動電源使用2節 12V/10Ah蓄電池串聯,逆變器負載帶500W燃料供 給風機、3kW燈泡、6個燃料電池冷卻風扇以及外圍 輔助電路。經現場測試(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小於4%,燃料電 池逆變器系統穩定;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,效率為92%, 交流輸出3kW時,效率為84%,系統效率較高。圖 9為輸出功率與輸出電壓關係曲線。輸出電壓特性 較硬。

5　小結

本文針對普通家庭用燃料電池應急電源系統, 滿足家用電器以及其他一些特殊急需供電裝置在無 電條件下對電力的需要,介紹了一種燃料電池發電 的逆變器的拓撲結構及其控制方法,設計並製作了 一套使用5kW PEFC燃料電池獨立發電實驗裝置, 最後經實際系統測試,逆變器輸出交流220V電壓正 弦度良好、安全可靠,本設計控制、保護完整,通過實 際系統性能測試,驗證了該設計的合理性以及系統 方案的可行性。