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,polymerElectrolyteFuelCell)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。
2·2DC/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。
2·3DC/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。
2·4Buck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5kWpEFC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。
