电力应用领域中的燃料电池功率调节

电力应用领域中的燃料电池功率调节摘要：燃料电池由于效率高，对环境影响小以及可扩展性而被看做前景最好的分布式能源之一。不幸的是，在燃料电池的控制中存在多种问题。燃料电池不能接收反向电流，在纹波电流存在下工作不佳，输出电压低且随电池寿命和电流大小变化，对负载的阶跃变化响应迟钝而且过载能力有限。由于这些缘故，经常需要电力转换器作为一种提供稳定且实用的直流电源的方法，来提升并调节电压。此外，为了并网接口和交流电机的应用，将逆变器加入从而允许直流源到交流源的转变。为了帮助激励电能调节在燃料电池中的运用，关于燃料电池的不同型号、应用以及典型的电气特性的简单介绍即将呈现。在这之后，将对应用于燃料电池电能调节的各种直-直升压变换器和逆变器的拓扑结构进行检测。几个应用于高压/高功率场合的聚集多个燃料电池的结构也将被回顾。1介绍燃料电池是一种能够比传统产能方式工作在更高效率的环境友好型可再生能源。而且，燃料电池的可扩展性允许其应用在几乎各种场合，包括分布式发电。然而，一些内在的阻碍存在于燃料电池的应用当中。随电池寿命和电流大小变化的低输出电压、在输出纹波电流影响下的低效率、对负载阶跃响应反应迟钝、无过载能力以及不能接收反向电流等问题带来了很多需要用能量调节系统来克服的技术挑战。在这篇论文中，有对燃料电池结构、种类、应用和电气特性的讨论。在这之后，将对几种用于单电池和多电池组合的不同的能量调节系统实现方法进行测试。1.1燃料电池结构1839年，William Grove发现将氧气和氢气结合成一个特定的组态，可以产生电能。虽然这个发现产生于160多年前，但基本的操作原理仍然适用。一个燃料电池的基本原理图如图1所示。图1燃料电池的基本原理图将氢气通向阳极，阳极上的催化剂将氢气分解为电子和氢正离子。分隔阳极和阴极的质子交换膜只让氢正离子渗透过去，而阻止了电子。这使得电子不得不选择另一条电路通向阴极。一旦电子到达阴极，它们就和氧气、氢离子重组成水。以下是描述该过程的化学反应式：当纯氢气被用作燃料，燃料电池只会产生电能和水。这使得燃料电池成为一种环境友好型能源。为了得到纯净的氢气，要加入一个燃料处理器或者改质器。改质器利用天然气、煤炭和生物作为燃料生产氢气。实际用于发电的燃料电池结构由几个部分组成，如图2所示。基础结构是包含阳极、阴极和质子交换膜的矩形或圆柱形管子，其作用是执行发电和电子重组。为了组成一个燃料电池堆，这些管子串接或并接地绑在一起来产生一个千瓦级至兆瓦级的单元。对于需要大规模能量的实际应用，这些燃料电池堆可以积聚成层，这些层可以组装成亚兆瓦至兆瓦级的发电机组件。图2燃料电池组合结构1.2燃料电池型号及其应用自从William Grove发现燃料电池，其分类也发展起来。燃料电池一般的分类标准建立在所用电解质种类的基础上。如下是燃料电池型号列表：碱性燃料电池（AFCs）磷酸燃料电池（PAFCs）质子交换膜燃料电池(PEMFCs)熔融碳酸盐型燃料电池（MCFCs）固体氧化剂燃料电池（SOFCs）燃料电池可以进一步根据工作温度来分类。高温燃料电池包括MCFCs和SOFCs，它们工作在500以上，反应比低温燃料电池更加活跃而高效，而且不需要使用改质器。此外，高温燃料电池不需要利用铂金等昂贵的重金属催化剂就可以正常工作，降低了整体成本。较高的温度操作同时可容纳不同的燃料和热电联产系统应用。然而，高温物质和高温操作问题的严峻性成为了那些需要快速启动的小规模操作的阻碍。因此，现存的高温燃料电池应用主要集中在小至大型固定式发电厂，因为对这些发电厂来说，内部改革和热电联产能力比材料击穿和反应慢的缺点更重要。在应用方面，美国能源部（DOE）与燃料电池能源公司已经研究的MCFC严重固定式设备应用。现在的努力在欧洲产生了几个子兆瓦的发电厂，这些发电厂提供电力1700万千瓦/小时。固体氧化剂燃料电池同样取得了固定电源应用中的成功。 西门子西屋公司开发并测试了已达到52的效率，250千瓦的混合动力系统。 然而，预期未来的固体氧化剂燃料电池是利用几兆瓦的输出和由于热电联产而效率超过75的单元。低温燃料电池通常工作在250一下，和包括AFC，PAFC和PEMFC类型。由于低温下不允许内部重整，能提供纯净氢气的外部能源是必不可少的。目前，由于更高的功率密度，快速启动和更少的高温材料问题，低温燃料电池的应用集中于车辆应用程序。特别地，AFC已被应用于空间飞行器，如阿波罗和航天飞机，而PEMFC已被研究应用与商业车辆。PEMFC和PAFC系统也已被投入到热电联产的应用中。在90年代初期，12 个PAFC发电厂被建在德国，并已运作超过40000小时。1.3燃料电池的典型电气特性燃料电池的操作类似于普通电池，因为在燃料电池使用了两个电极（阳极和阴极），并产生直流电压。燃料电池相对于普通电池的一个重要优势是，只要燃料供给足够，燃料电池发电量似乎无限。不幸的是，由于电流值增加时，电压降也增大。出于这个原因，燃料电池通常模拟为理想直流电压源串电阻。造成这种电压降落的主要因素是：活化损失、欧姆损失和浓差损失。在电流密度较小时，电压降落主要是由于活化损失。活化损失反应迟缓是 氢气和氧气作为电化学反应，电极动力学的结果。这产生了一段高度非线性的电压降落，如图3所示。图3 低温燃料电池输出特性欧姆损耗产生于电子通过电解质和电极的流动过程中。理想情况下，电解液应只允许离子通过细胞传输，但少量的燃料是能够扩散通过膜。和非线性的活化损失不同，欧姆损耗基本上是线性的并且是直接正比于电流密度。浓差损失是周围的材料维持燃料初始浓度的能力低下的结果。随着反应物在电极被消耗，周围的材料的浓度因为反应物的运输速率而降低 。这种损失在高电流密度区尤其严重。存在这些损失的同时，燃料电池的V-I极化曲线还依赖于操作温度。图3和图4分别显示了温度在40和800的两个不同的燃料电池曲线。对于低温燃料电池，开路电压比理想电压低，且有一个活化极化区存在。相反，高温燃料电池的开路电压与理想电压几乎相同，而且，几乎没有极化活化区。图4 高温燃料电池输出特性2电力电子接口要求目前，没有标准的燃料电池输出电压额定值确立。大多数燃料电池堆模块产生的输出电压范围为24-150伏的直流。然而，在许多燃料电池可以应用的场合，电力电子接口的存在很有必要。这个接口应该满足如下要求：控制燃料电池电压、将燃料电池输出转变成适当的类型和大小、提供一个很高的功率因素（电网应用）、谐波小或无谐波、几乎不增加整个系统的成本。燃料电池的电力电子接口通常使用DC-DC升压变换器和逆变器，以提高燃料电池电压并将直流电压转换为交流，如图5所示。对于升压转换器的期望，除了提高燃料电池电压之外，还有对逆变器输入电压的调节和高低压电路之间的电气隔离。逆变器只需要将直流转换为交流并伴以合理的谐波抑制，根据不同的应用可以为单相、双相或三相。单、双相逆变器用于住宅应用，而三相逆变器则在工业应用以及在集中式发电中实施。图5 用于家用电器的燃料电池电力电子接口框图另一种拓扑理论上可行，但很少利用，如图6所示。此拓扑忽略使用直流DC转换器，而是依赖于配置在逆变器输出端的变压器来提高电压。含DC变换器的拓扑相对于此拓扑的优点有二重：尺寸和成本。变压器确实能够得到显著的高电压，但笨重且非常昂贵。图6用于家用电器的燃料电池电力电子接口 以下各节讨论具体的燃料电池限制和可能用于电源转换器的方法，以应对这些要求。2.1无再生/反向电流燃料电池在一般情况下不能接收电流。因此，为了阻止电流流向燃料电池，可以用二极管串入燃料电池模块中，如图7所示。在期望得到反向电流的再生应用中，可以用一个电容器C来吸收电流。尽管如此，在选择该电容和操作该系统时，设计者必须要谨慎以确保该电容承受压力不会过大。图7改进后的燃料电池接口2.2输入纹波电流为了获得最佳性能，燃料电池更喜欢纯直流负载。在燃料电池直流输出上的任何干扰，都会对燃料电池内的扩散层状况产生显著的冲击。不幸的是，与燃料电池连接的DC-DC升压转换器会向燃料电池中注入波纹。其中一些纹波电流可以通过增加一个电容来吸收。然而，电容器的加入增加了转换器的成本，尺寸和可靠性。幸运的是，一项研究8表明，频率超过400赫兹的纹波电流对燃料电池的工作影响甚微。低于4纹波系数的燃料电池输出电流对燃料电池内扩散层的影响可以忽略，因而不会严重影响燃料电池堆的寿命。2.3二级电源考虑到燃料电池反应迟缓，通常需要二级电源在瞬态和启动时帮助维持总线电压恒定。铅酸电池和超级电容器是合适的选择，并可以连接在燃料电池的输出端，或通过双向DC-DC变换器连接在高压直流环节。对于一些应用，这个二次能源也可用作有源滤波器，减轻负载电流的谐波，从而减小输入电流纹波。用一个二级DC-DC双向转换器而不是将二级电源与燃料电池直接相连，这样有更快更稳定的响应。2.4电气隔离为了保护燃料电池，燃料电池的低压输出和高压直流环节间的电隔离是必要的，在电压差异巨大时尤其重要。由于这个原因，变压器常常合并在DC-DC变换器中。位于逆变器输出端的变压器也赋予了降低输出直流电压偏移的能力。3电力电子对燃料电池的限制电力电子接口也对燃料电池施加了限制。电力电子在高温下容易发生高损耗和故障。虽然PEMFC和 PAFC燃料电池的操作温度低达50，但大部分的燃料电池的操作温度超过200。因此，电力电子设备需要与燃料电池模块进行热隔离，以便有效和可靠的操作能够得到保证。 此外，对于所选的任何类型的电力电子接口，电压增益往往是有限的，超过某个点时并不能发挥作用。因此，设计人员必须确保该燃料电池的最低输出电压超过电力电子接口规定的某一最小值。4 DC-DC变换器有了燃料电池的要求和操作的概念，现在回顾一下用于电力调节的DC-DC变换器。第一个待检测的是常规类型的DC-DC转换器。这些转换器不仅在燃料电池中应用，也被大量用在日常生活中。在讨论常规的转换器之后，为燃料电池专门设计的DC-DC变换器拓扑将被介绍。4.1常规配置一个用于燃料电池功率调节的DC-DC升压转换器的常规结构如图10所示。虽然该配置是众所周知的升压拓扑结构，但这种设计不满足电气隔离的条件。 另外，输入和输出之间幅度的巨大差异给开关施加了严重的压力。图10用于燃料电池功率调节的DC-DC升压转换器全桥式转换器如图11所示，在需要电气隔离时，这是最常用于燃料电池功率调节的电路结构。对于电气隔离和高升压比，正激、推挽、半桥是其他可以考虑的选择。然而，基于如下原因，全桥转换器是用于燃料电池功率调节的最佳选择：(1).全桥转换器适用于高功率传输，因为晶体管的电压和电流应力不高。一般来说，推挽和正激转换器不适合高功率应用。(2).相较于半桥，器件的额定电流和变压器的匝数比都可以减半。 (3).全桥转换器具有较小的输入输出电流和电压纹波。(4). 全桥拓扑结构是一个最适于利用零电压开关（ZVS）的脉冲宽度调制（PWM）技术的结构。图11 用于燃料电池功率调节的带隔离DC-DC全桥变换器4.2用于燃料电池的DC-DC转换器虽然常规的DC-DC转换器经常在燃料电池中应用，但在燃料电池调节过程中遇到的问题并没有全部得到解决。在以下章节中，专为燃料电池功率调节中的应用而设计的DC-DC变换器将被回顾。4.2.1改进后的典型DC-DC升压转换器几种基于传统的DC-DC升压转换器，但基本拓扑结构已经作了部分修改的燃料电池功率调节系统将在下文进行讨论。 （1）具有多个次级线圈的全桥变换器。具有多个次级线圈的全桥转换器在12中有所描述。如图12所示，该拓扑结构采用一个变压器与串联连接多个次级线圈。这种全桥变换器的拓扑结构能够实现具有高效率运转的ZVS功能。此外，如果 加以正确的控制算法，该转换器拓扑可移相至180，从而调节输出电压。此转换器既能工作在恒压模式也能工作在恒流模式，给设计者带来了灵活性。为了控制电压增益的大小，转换器可以利用电机内具有改变线圈匝数比功能的机电继电器。通过这种方法，如果燃料电池堆的电压因负载的增加而降低，可以选择较高的匝数比以维持输出电压。图12 带多个次级线圈的全桥变换器（2）软开关直接转换器。13 提出了包含软开关直接转换器的功率调节系统，如图13所示。这个功率调节系统使用一个升压变换器、电池、DC / DC变换器、钳位电路和三相逆变器以调节燃料电池的功率。该升压转换器是用来缓冲燃料电池变化的DC电压，并调节提供给DC / DC变换器和电池的电压。软开关全桥DC / DC变换器由两个具有高频中间变压器的H桥变换器组成，用来将电压提升压到适当的水平，如图14所示。与MOSFET开关并联的电容器使得转换器具有ZVS开通和零电流开关（ZCS）的功能。这些软开关技术的应用使得转换器具有更高效率的操作。此外，由于没有直流母线电容器，使得这种拓扑结构具有更高的功率密度，但会激发更多关于设计钳位电路和比基于直流环节的传统电容的动态响应可靠性较低的思考。输出端的全桥逆变器将DC / DC转换器和电池输出的直流转换成适当的交流类型。图14 无直流环节的软开关全桥DC-DC变换器（3）倍压器。配有附属H桥逆变器的全桥DC / DC转换器在15中进行了论述。如图15所示，全桥转换器的高压侧采用一个受控被压器电路代替传统的二极管整流器。倍压电路允许变压器的匝数比降低，减少了其中的泄漏电感，使得系统具有较高的效率，控制更加简单。倍压器的一个优点是施加在低压侧电流波形上的控制。这可以帮助缓解一些常与DC / DC相关联的电流纹波问题。另外，由于倍压器相脚和PWM逆变器的中性相脚是同一个，所以每相相脚数量的减少是可能的。在倍压器之后，可以插入一个高压电池包为负载动态提供瞬态功率，从而显著降低了对直流母线电容的要求以及燃料电池功率调节系统的成本和尺寸。这种拓扑结构具有多重优势，包括降低电压/电流应力、减少器件数量和成本低。然而，一些并发症确实存在。虽然合并的倍压器相脚与PWM逆变器的中性相脚减少了器件数量，但受控的电压倍增电路，与常见的二极管整流器相比，增加了成本和控制的复杂性。此外，高压电池在长期使用后可能会不稳定，而一个与双向变换器相连的低压电池可能是一个更好的选择。图15 倍压器4.2.2推挽式转换器一般来说，推挽式变换器由于难以避免变压器饱和15，16，不适合大功率燃料电池的应用。然而，在中等功率燃料电池的应用中，推挽式变换器已被发现并投入应用，例如一个1.5千瓦17和1千瓦18的系统。这主要是因为在任何给定时间通过使用单个开关，可以减少在操作期间的传导损耗。这增加了转换器的效率并为燃料电池的功率调节系统提供了更高的效率。4.2.3专为燃料电池功率调节设计的新拓扑结构多个不按照传统配置而设计的新拓扑结构已经产生，它们专门为燃料电池而设计 。这些拓扑涵盖在下文内容中。（1）带耦合电感的高升压型DC-DC转换器。带耦合电感的高升压型DC-DC转换器在19中有了研究。如图16所示，这种转换器为质子交换膜燃料电池功率调节而建立。该转换器由三部分组成：主电路，设计了一个晶体管和二极管组合Q伴以耦合电感L1，L1在开关接通状态时储存能量；再生缓冲电路，由两个二极管D1和D2，一个电感L2，两个电容C1和C2，这两个电容不仅用于存储能量以提升电压，而且提供了保护；一个滤波电路，由二极管D0和电容C0组成。图16 带耦合电感的高升压DC-DC变换器这种系统相对于常规功率变换器的优点有两重：实验结果表明该变换器能够达到最大96.5%以上的效率，这比传统的升压直流直流变换器效率更高。第二，这种转换器有大增益，这是一个非常重要的方面，因为燃料电池往往具有较低的输出电压。这种设计的另一个好处是耦合电感可以防止输出电压漂移。这使得燃料电池具有独立于转换器输出的操作能力。然而，这种转换器确实有一些缺点。虽然加入了缓冲电路以保护电路元器件，但输入输出之间没有电气隔离。此外，与基本的升压转换器相比，该转换器的元件数量比传统的直流直流转换器高两倍。（2）宽输入范围的燃料电池功率调节器宽输入范围的燃料电池功率调节器如图17所示，在20中讨论。该功率调节器能够使燃料电池保持带有36到60伏波动的恒定输出电压。此转换器是通过两个串联的提升阶段来保持稳态输出的：一个三电平并联升压变换器将输出提高到80 V，这被视为主要的升压器。与传统方法相比较，使用三电平并联升压转换器的一个优点是此转换器只需要一个小得多的电感即可实现较低电流纹波。第二阶段由隔离的双电感升压转换器使电压达到最终的水平 20，21 。这种燃料电池功率调节器能够使整体效率达到90%或更高。图17宽输入范围的5KW燃料电池功率调节器由于包含有两个变压器和八个开关，该功率调节系统的复杂性相对较高。然而，使用两个相同的三电平升压变换器相并联可以预期额定电流和传导损耗的减少，以及整体效率的提高。此外，通过初级变换的电压预调节，高频变压器在效率上的改进，控制上的简化，二次升压转换器的额定电流和匝数比的降低以及整体成本的减少同样可以预期。（3）三相变压器隔离DC/ DC转换器。三相变压器隔离移相DC / DC变换器在22中讨论。如图18所示，这个转换器由连接有三个单相变压器的三相全桥转换器组成 。这些单相变压器的二次侧接成Y型与一个三相全桥整流器相连，这种Y型连接使得输出电压在不增加变压器匝数比的情况下也能升高。此外，这种交织连接使得转换器受一种方式的控制，这种方式使它们的输出波形相位以120分开。这种连接的另一个好处是增加了输出纹波信号的频率。该输出纹波频率为单相逆变器开关频率的6倍，使输出滤波器尺寸显著减少。这种转换器有许多