（电机与电器专业论文）燃料电池dcac变换器主电路及其emc研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t sd i s s e r t a t i o ni sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho fad c ，a cc o n v e r t e rf o rr u e lc e l l p o w e rs y s t e m 弧ec o n t e n t s i n c l u d et h ep o w e rc i r c u i t t o p o l o g y , s e l e c t i o no f c o m p o n e n tp a r a m e t e r s ，融m c ( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ) s t r a t e g i e s 骶臻f i m d a m e n t a l sa n do u t p u tv o l t a g e c u r r e n tc h a r a c t e r i s t i c so fp e m f c ( p r o t o n e x c h a n g em e m b r a n e f u e lc e l l ) a r ei n t r o d u c e d 。弧ee f f e c to f r i p p l ec u r r e n to nf u e lc e l l o p e r a t i n gc o n d i t i o ni sa n a l y z e d 弧em o d e l i n go ft h ef u e lc e l ls t a c kw i t hf r e q u e n c y r e s p o n s ea n a l y s i st e c h n i q u e i sp r e s e n t e da n da 1 1e q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft h ef u e l c e i ls t a c ki se s t a b l i s h e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h eo u t p u tv o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ef u e lc e l ls t a c k , t h et o p o l o g yo faf u e lc e l lp o w e rs y s t e mi si n t r o d u c e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d m o d e ls i m u l a t i o n ，t h ee f f e c to fc o m p o n e n tp a r a m e t e r sa n dm o d u l a t i o ns t r a t e g i e so i l t h ed c a cc o n v e r t e rp e r f o r m a n c ei se x p l o r e d i no r d e rt oc o n t r o lt h eo u t p u tv o l t a g e ， t h ed u a l l o o pc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ed c a cc o n v e r t e ri ss i m u l a t e du s i n gt h e m 觚愿i l 玎瓣l i 鑫袈。a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ed s pd i g i t a lc o n t r o l l e r , t h i sd i s s e r t a t i o na n a l y z e st h et h e o r yo fs p 硼a n dt h ec l o s e - l o o pe o n t r o lp r o g r a m 。 t h es o k r c e ，t r a n s m i s s i o np a t ha n ds u s c c p t o ro fe m i ( e l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ) i nt h ed c a cc o n v e r t e ra r ea n a l y z e da n de m cs t r a t e g i e sa r ed i s c u s s e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n m o d e ls i m u l a t i o nd e m o n s t r a t e st h a tt h ef u e lc e l lp o w e rs y s t e mh a sg o o d p e r f o r m a n c e a tt h es a m et i m e , d u a l - l o o pc o n t r o ls t r a t e g yi sag o o dc o n t r o lm e t h o d f o rd c a cc o n v e r t e rw i t hl o a dc h a n g i n go rn o n - l i n e rl o a d 。ap r o t o t y p eo fd c a c c o n v e r t e rh a sb e e nb u i l ta n di t se x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ep r o v e dt h a t t h e p e r f o r m a n c eh a sm e tt h et a r g e t ：2 2 暇纨c5 璐薹zo u t p u tv o l t a g ew i t ht h d 租b 缀 h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) l e s st h a n3 + k e yw o r d s ：f u e lc e l l ，d c a cc o n v e r t e r , d u a l - l o o pc o n t r o l ，d s p , e m c l l 学位论文版权使用授权书 本入完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：李佥 沙万年，月膳日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：套鑫 ) 彬年1 月t g 圈 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 燃料电池是一种将化学能直接转化为电能的电化学装置。在新的发电技术 中，燃料电池发电技术被认为是有希望继水力、火力、核能之后成为第四代发 电装置和替代内燃机的动力装置。特别是近年来，随着人们对能源需求的日益 提高，传统能源日渐枯竭，环境恶化等世界性问题日益突出，作为一种清洁、 高效的替代能源装置，燃料电池发电技术日益成为研究的热剧1 】【2 】【3 】【4 1 。 与传统的电池如铅酸电池、锌镍电池一样，燃料电池输出的是直流电能， 但是实际生产、生活中的大多数用电设备使用的是交流电能，公共电网也大多 采用交流的形式传输电能。所以，无论是直接给用电设备供电还是燃料电池并 网发电，均需将燃料电池输出的直流电能转换为交流电能。 d c a c 变换器是应用电力电子( p o w e re l e c t r o n i c s ) 器件，将直流电能变换 为交流电能的一种静止变流装置。 d c a c 变换技术是- - f - 发展比较成熟的技术，已在生产实践中得到广泛应 用。但是，近年来，随着d c a c 变换器应用领域的拓展及其相关技术的发展， 对d c a c 变换技术提出了新的要求。首先，随着光伏发电、风能发电和燃料电 池发电等新发电技术的快速发展，d c a c 变换器在这些应用领域也得到进一步 的拓展。配合新的发电装置使用并不能把原有的变换技术做简单的移植，新的 发电装置有各自独特的工作特性，为适应这些特性，建立d c a c 变换器与新的 供电装置的兼容性，需要在原有d c a c 变换技术的基础上做出新的研究。其次， 随着新的电力电子器件的出现、新的电路拓扑的发展、新的调制方法的研究应 用、控制计算机性能的提高和应用领域的扩展，d c a c 变换技术也呈现出高频 化、数字化、智能化和高电压大电流化等新的发展趋势，这更加剧了d c a c 变 换器的e m i ( e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 问题，如何利用数字化控制器快速、 精确的计算功能，以及如何应用新的调制技术降低d c a c 变换器e m i 水平、 提高系统的电磁兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y , e m c ) 成为新的亟待解 决的问题。 第1 章绪论 本研究课题的重点就是在深入了解燃料电池工作特点的基础上，应用 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 数字控制器，研究不同s p w m 调制方式下d c a c 变换器的 主电路的工作特性和e m i 特点，探讨不同的控制方法下d c a c 变换器的输出 电压性能，以及解决燃料电池用d c a c 变换器的兼容性问题。 1 2 本课题研究的目的与意义 近年来许多国家相继发生因自然灾害或人为因素造成的大面积停电，许多 重要用户长期不能恢复供电，给社会和经济造成了巨大的损失。现代社会对供 电的可靠性及供电对环境的兼容性要求越来越高，高效、低污染的分布式发电 系统日益受到重视。燃料电池不仅发电效率高，而且启动快、变负荷能力强， 是很好的备用电源。另外，燃料电池d c a c 转换器的研究涉及燃料电池、电力 电子、控制理论、计算机技术、电磁兼容技术等诸多学科的知识。因此，燃料 电池d c a c 转换器的研究具有非常广泛的实际应用价值及理论意义。 美国、日本、加拿大等世界主要发达国家把发展高效、清洁的燃料电池发 电技术视为具有保证能源和电力安全重要战略意义的国家安全关键技术之一， 竞相投入巨资研究开发【5 】。 我国是人均能源资源相对贫乏的发展中国家，我国发展能源的多元化、可 持续性、环境兼容性，降低能源的进口依赖度，发展更可靠的备用发电装置具 有现实而深远的战略意义。而燃料电池发电及其应用技术正是重要的解决方法 之一。 最近几年，国内研究机构也相继开展了燃料电池应用技术的研究开发，并 且在燃料电池电动汽车等方面取得了骄人的成绩。 1 3 本课题主要研究内容和关键技术 本课题通过对燃料电池发电系统用d c a c 变换器的研究以及样机的研制， 对下列几个方面的问题进行研究： 1 针对燃料电池的输出电压特性，研究燃料电池d c a c 变换器主电路的 拓扑结构以及元器件参数设计优化。 2 研究d c a c 变换器的控制方法，分析在不同的控制方法下d c a c 变换 2 第1 章绪论 器的稳态特性及动态特性。 3 对d c a c 变换器进行电磁兼容设计，在原有的e m c 设计基础上进行 优化改进，使d c a c 变换器的主电路与控制系统满足工作环境的e m c 要求。 改进主电路拓扑和优化变换器结构布局。 拟解决的关键技术有以下三个方面： 1 针对燃料电池输出电压特性的d c a c 变换器主电路拓扑结构、元件参 数的优化及控制方法的改进。 2 燃料电池d c a c 变换器在空载、满载以及不同性质负载、负载突然发 生变化时具有良好的静态、动态响应特性。 3 对d c a c 变换器的干扰源进行抑制，通过接地、滤波和屏蔽等技术的 采用，切断干扰的传输途径，提高d c a c 变换器的抗干扰能力，降低其干扰其 它设备的能力，以达到e m c 测试标准。 3 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 2 。1 燃料电池历史1 6 1 1 8 3 9 年英国的格鲁夫( g r o v e ) 发明了燃料电池，并用这种以铂黑为电极 催纯剂的篱单的氢氧燃料电池点亮了论敦讲演厅的照骥灯。 1 8 8 9 年，英囡蒙得( m o n d ) 等人把石棉网状多孔性支持物浸入稀硫酸， 以粉末铂黑作催化刹，铂或金作载流体，开发了电流密度为3 6 m a e m 2 ，电压 为0 7 3 v 的燃料电池。 1 9 2 1 年，德困人伊芭( e b a u r ) 以碳酸钾和碳酸钠的混合熔融盐为电解液， 氧化铁为阴极，空气为阴极活性物质，铁为阳极，氢为阳极活性物质构成燃料 电池。这个电池成为今日熔融碳酸盐燃料电池的基础。 1 9 3 2 年，荚阑的班考( b a c o n ) 用碱作电解液构成燃料电池，他用镍代替 昂贵的铂作电极材料，并通过提高温度和增大体系压力来提高镍的催化活性，同 时用多孔气体扩散电极来得到气一液一固三相接触的较大的表面积。 2 0 世纪5 0 年代，班考用高压氢氧制成了具有实用功率水平的燃料电池。 年代初，美国通用电气公司研制出质子交换膜燃料电池，并用于双子星 座飞船，作为船上的主电源。同时，兆瓦级的磷酸燃料电池也研制成功。 8 0 年代，使用熔融盐或固体电解质的高温燃料电池越来越被人们所重视， 尤其是美国、日本等国都在进行类似研究。 近二十年来燃料电池得到很大的发展，备类高性能，高稳定性的燃料电池 已被广泛缝应用于宇航、船舶、电气、通讯及运输等方面。特别是近年由于全 球提高能源利用率及减少环境污染的需要，燃料电池褥次受到广泛重视。 2 2 燃料电池的工作原理及特点 燃料电池的结构与一般电池相似，单个燃料电池也是由阳极( 氧化剂电极) 、 阴极( 燃料电极) 以及在两电极问的电解质组成。不同的是一般电池是电能存 储装置，其电能容量由电池本身存储的反应物的总量决定，反应物耗尽后，电 4 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 池就停止输出电能。而燃料电池则是把化学能转化为电能的能量转换装置，当 燃料电池工作时，燃料和氧化剂由外部供给并在电极进行反应产生电能。原理 上，只要反应物不断输入，反应产物不断排出，燃料电池就能持续地发电。这 里以氢一氧燃料电池为例来说明燃料电池的基本工作原理【1 1 。如图2 1 所示： 图2 1 氢氧燃料电池工作原理 燃料电池产生电能的化学反应是电解水的逆过程。它的阳极反应： h 2 + 2 0 h 一一2 h 2 0 + 2 e 一 阴极反应： 1 z 0 2 + h2 0 + 2 e 一2 0 h 一 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 整个电池反应： 1 h ，+ 三o ，寸h ，o ( 2 3 ) 2 。 图2 1 表示的是单个氢氧燃料电池的工作原理。由于单个燃料电池输出的 电压和功率有限，实际应用中总是采用多个燃料电池串联组成的燃料电池组来 实现具有一定输出电压和功率的电源装置，见表2 1 。为避免混淆，下文所提 及的燃料电池，如无特殊说明均指燃料电池组。 表2 1 三种型号燃料电池的电气参数 燃料电池型号空载电压满载电压 满载电流 最大功率 电池个数 s r 1 24 0 6 v2 8 9 v1 7 3 a5 0 04 8 n e x a 4 2 2 v2 6 2 v4 5 a 1 2 0 0 4 8 b c s1 9 2 v1 2 v2 5 a3 0 02 0 5 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 实际上，由于电极退化、侵蚀以及其它部件的功能退化，燃料电池的实际 使用寿命有限。另外，只有燃料电池本体还不能工作，必须有一套相应的辅助 系统，包括反应剂供给系统、排热系统、排水系统、电能控制系统及安全装置 等。 。 与传统的火力发电不同，燃料电池的发电效率几乎不受规模大小的影响， 并且燃料电池具有高效率、低排放、低噪声等优异特性。燃料电池在固定发电 装置、分布电站、电动汽车以及航天飞行器和其它封闭环境供电等领域有现实 的和潜在的巨大需求。随着燃料电池技术的发展成熟，生产成本的下降，燃料 电池的应用将会得到进一步推广，其影响将波及小至人们的日常生活大至国家 的能源战略。 由于燃料电池直接将燃料的化学能转化为电能，没有燃料的燃烧过程，也 没有发电机等旋转部件。所以，燃料电池发电具有许多优于火力发电的特点【5 】： 1 燃料电池属于能量直接转换的装置，效率很高。理论上，燃料电池发电 的平均效率在9 0 以上，应用中因电解质的电阻以及阴阳电极的化学反应阻力， 实际效率也均在4 0 以上。如果进一步将化学反应中产生的热能加以利用，燃 料电池的总效率可达到8 0 以上。 一 2 燃料电池的环境兼容性好。由于整个能量转换过程中没有燃烧过程，所 以c 0 2 的排放量比常规火电减少4 0 - 6 0 ，s o x 和n o x 的排放量更低，比火电 减少9 0 以上。同时，能量转换的主要装置无运动部件，因此噪音极小。据测 试，在已建燃料电池电厂外9 米处的噪音仅为6 0 d b 。 3 燃料电池的设备可靠性高，对负荷的适应能力强，可以无人操作。燃料 电池能承受过载运行或欠载运行而保持效率基本不变，对负荷变化响应速度很 快。可以直接建在终端用户附近，节省庞大的输配电网络，在提高供电可靠性 的同时节约大量的输配电设备费用，并且燃料电池中无运动部件，所以无机械 磨损，减少损耗。 2 3 燃料电池的分类 目前，燃料电池的种类繁多并各自处于不同的发展阶段。燃料电池可以采 用多种不同的分类方法：燃料与氧化剂的组合比例、燃料改良地点( 内部或外 部) 、电解质的类型和工作温度等。最常采用按电解质类型进行分类的方法。 6 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 根据电解质的不同，燃料电池可分为下面五类【6 1 1 7 1 ： 1 a f c ( 碱性燃料电池) ：采用的电解质为高浓度氢氧化钾( 工作温度约 为2 5 0 0 c ) 或低浓度氢氧化钾( 工作温度小于1 2 0 0 c ) 。a f c 只能以纯氢作为 燃料。a f c 造价昂贵，其应用仅局限于宇航领域。 2 p e m f c ( 质子交换膜燃料电池) ：采用一种叫质子交换膜的质子良导 体塑料薄膜作为其电解质。交换膜必须是充水的，所以水的蒸发速度不能快于 反应产生水的速度。通常电解质的温度不高于1 2 0 0 c 。交换膜中的水平衡问题 要求电池的燃料是富h 2 的。通常以p t 作为催化物质。因为c o 对催化物质具 有毒化作用，燃料中不能含有c o 。 3 p a f c ( 磷酸燃料电池) ：采用浓度为1 0 0 的磷酸作为其电解质，工作 温度为1 5 0 0 c 2 0 0 。c 。普遍采用碳化硅网片来锁存磷酸。阴阳电极都采用p t 作催化剂。p a f c 是第一种达到商业化应用水平的燃料电池。p a f c 发电系统庞 大、笨重且昂贵。 4 m c f c ( 熔融碳酸燃料电池) ：采用锁存在一种叫l i a l 0 2 的陶瓷网片 中的碳酸作为电解质，工作温度为6 0 0 - 7 0 0 0 c 。由于工作温度高，不需要贵重 金属做催化剂。高工作温度也意味着启动缓慢，一般应用于大型的发电系统。 5 s o f c ( 固态氧化物燃料电池) ：采用固态非多孔的金属氧化物作为电 解质，性能很好。电池的工作温度为6 0 0 - 1 0 0 0 0 c 。s o f c 的启动也较慢。一般 应用于2 5 k w 至1 0 0 k w 的固定发电系统。 上述五类燃料电池各有优缺点，适用范围也不同。相比其它燃料电池， p e m f c 的运行温度较低，启动时间很短，在几分钟内可达到满负荷，对输出电 能的变化反应快。与p a f c 相比，电流密度和功率都较高，发电效率也较高 ( 4 5 5 0 ) ，对c o 的容许值较高( l o p p m ) 。与p a f c 和m c f c 等液体电解 质燃料电池相比，它具有寿命长，运行可靠的特点。p e m f c 被认为是便携式电 源、电动汽车电源和家用电源( 通常指功率为1 0 k w 以下的固定电源) 的理想 选择之一。 我们关于燃料电池d c a c 变换器的研究也以p e m f c 作为研究对象。下文 所提及的燃料电池如无特殊说明均指p e m f c 。 2 4 燃料电池的工作特性 7 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 燃料电池是一个比较复杂的电化学装置，影响燃料电池工作特性的因素很 多，诸如温度、湿度、气体压力、气体的成分及纯度、反应物的利用率都会对 燃料电池的工作造成影响【7 1 。但是这些因素的研究超出了本专业的研究范围， 这里研究的燃料电池的工作特性是指燃料电池的电气特性。 2 4 1 燃料电池的静态特性 根据电化学理论，标准条件下，单个氢氧燃料电池的理想输出电压为1 2 3 v ( 反应成物为液态水) 或1 1 8 v ( 反应成物为气态水) 【刀。事实上，由于燃料电 池内部的极化作用，燃料电池的输出电压表现出软特性。在不同的电流密度下， 燃料电池的输出电压并不恒定。 影响燃料电池输出电压的极化作用可分为三种： 1 活化极化( a c t i v a t i o np o l a r i z a t i o n ) ：活化极化与电极的化学活化有关， 由电极的滞化作用产生。活化极化在低电流密度时起主导作用。 2 欧姆极化( o h m i cp o l a r i z a t i o n ) ：欧姆极化是当带正电的离子流过电解 质和带负电的电子流过电极时，由电解质和电极的电阻产生。欧姆极化遵循欧 姆定理。欧姆极化在燃料电池的j 下常工作区域起主导作用。 3 浓度极化( c o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n ) ：当反应物在电极发生化学反应 并被消耗时，外围反应物向电极扩散，会在电极周围形成反应物的浓度梯度。 由于极化作用的影响，燃料电池的输出电压随电流密度的增大而降低。三 种极化作用的大小和电流密度的大小有关，使得燃料电池的电压一电流密度曲线 呈现如图2 2 所示的非线性特性。 。1 o 出 卸 爱 脚 萎o 5 电流密度( m a c m 2 ) 图2 2 燃料电池电压一电流密度曲线 8 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 综合以上分析，燃料电池具有以下静态特性： 1 输出电压特性较软。高电流密度时，燃料电池的压降较大。满负荷时， 压降可达开路电压的三分之一。 2 活化极化及浓度极化区，输出电压与电流密度的非线性关系特征明显。 3 只能输出正向电流，即电流的内部流动方向是从负极到正极。 2 4 2 燃料电池的动态特性 燃料电池的动态特性主要有下面两点： 1 电容效应 由于正电离子在电解质中和电子在电极中的扩散作用，在燃料电池的电极 与电解质界面会有“双充电层”现象，其作用相当于电容【7 j 。“双充电层”的 建立和消散都需要时间。当燃料电池输出电流突然发生变化时，燃料电池电压 需要一段时间才能达到新的平衡点。 2 纹波电流对燃料电池的影响 燃料电池在工作中消耗氢、氧气体产生电能，氢、氧气体的电化学反应在 燃料电池的两个电极完成。气体消耗的速度与外电路的电流需求有关。当外电 路的电流发生变化时，气体消耗的速度也随之发生变化，燃料电池的燃料气体 供应平衡被打破。气体通过扩散的方式到达反应地点，外围气体扩散到电极并 达到新的平衡需要一定的时间。当外电路电流含有纹波时，由于气体扩散作用， 电极处的气体浓度也周期性地发生波动。为使燃料电池平稳工作，燃料电池的 气体供应需要保持一定的冗余量，冗余量必须保证波动的气体浓度不低于燃料 电池所要求的下限值，否则会造成燃料电池停机或电极氧化等内部损害，过大 的气体冗余值降低了燃料电池的效掣8 】【9 】。因此，燃料电池发电系统的设计应保 证燃料电池电极处的气体浓度无明显的波动。氢气的扩散速度要远大于氧气的 扩散速度，因此，燃料电池阴极的氧气浓度波动系数成为纹波电流的限制条件。 氧气浓度波动的程度和外电路纹波电流的频率、纹波系数以及燃料电池的静态 工作点( 电流密度) 有关。由图2 3 所示的实验结果可知【8 】，当纹波电流的频 率低于1 2 0 h z 时，若要使燃料电池阴极的氧气浓度在任何工作点均无明显波动， 需要电流纹波系数小于4 。 9 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 纹波电流频率：( a ) 为3 0 h z ，( b ) 为6 0 h z ，( c ) 为1 2 0 h z ，( d ) 为1 2 5 0 h z 图2 3 燃料电池阴极氧气浓度扩散响应曲线 燃料电池的静态、动态特性会影响整个燃料电池发电系统的特性，另一方 面，系统其它部分的工作特性也会对燃料电池造成影响。设计时，应根据燃料 电池的静态、动态特性，在主电路拓扑结构上、电磁兼容上以及控制策略上做 细致的研究，使系统内各子系统具有良好的兼容性，使整机具有良好的工作性 能。 2 5 燃料电池的仿真建模 燃料电池输出直流电能并且输出电压特性较软，因此，燃料电池直接连接 负载的使用场合很少，往往是通过d c d c 或d c a c 变换器把燃料电池输出的 直流电能变换为符合负载使用电压等级要求的直流电或交流电。满足这一要求 的电能变换器称为电能变换装置 1 0 】 【1 2 】。 电能变换装置由电力电子器件、电感和电容等器件组成，与燃料电池相连 1 0 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 接，组成一个发电系统。电能变换装置和燃料电池的工作特性相互影响，并且 受负载的线性、阻容性等特性的影响。为使整个系统达到良好的动静态特性， 并且在燃料电池与电能变换装置之间做到电磁兼容( e m c ) ，需要在设计阶段 对整个系统进行计算机仿真辅助设计。通过计算机仿真，研究燃料电池与电能 变换装置相互作用的特点，为电能变换装置的拓扑结构、元件参数选择和控制 策略提供指导。 计算机仿真辅助设计阶段，为了保证系统级别上的仿真正确性，燃料电池 组的模型应该准确地反映燃料电池的特性。并且，模型应该能够很容易的与其 它组件如i g b t 、二极管等电力电子器件以及电容、电感等电能存储元件的计算 机模型连接，便于整个系统的仿真。 通常，燃料电池模型可分为稳态模型和动态模型。稳态模型反映燃料电池 的v i 关系，而动态模型反映燃料电池突加负载或突卸负载时的瞬态变化【l 引。 燃料电池模型的建立可采用两种方法：分析法和实验法。分析模型利用电化学 方程建模，需要燃料电池参数诸如传递系数、内部湿度和催化层厚度等 【1 4 】【1 5 】【1 6 ”】，往往这些知识是电气工程师所不具备的。分析模型模拟的是燃料电 池在大范围运行条件下的性能，但是复杂的计算和电化学专业知识背景的要求， 使得这些模型对许多电气工程师来说难以理解和掌握。实验模型是利用实验数 据，采用数据拟合方法得到模型参数的建模方法 9 1 。模型参数获得的方法决定 了实验模型只在小范围运行内是精确的。与分析模型相比，实验模型的建立比 较简单，无需燃料电池的电化学专业知识也无需燃料电池的具体工艺参数，这 一点对电气专业人员是最具吸引力的。 另外，为便于燃料电池的模型与其它电气元件连接，最适宜的方法是用燃 料电池的等效电路来构建其模型。 2 5 1 燃料电池的静态电路模型 采用实验方法构建燃料电池的静态电路模型的方法是：燃料电池接直流负 载，从零到满负荷逐次改变燃料电池负荷的大小。每次改变负荷后，使燃料电 池工作足够长的时间，以保证燃料电池的工作达到稳态。燃料电池工作达到稳 态后，记录该工作点燃料电池的端电压和输出电流的大小。根据实验数据，就 可以绘制出燃料电池的v i 极化曲线。如图2 4 所示，图中的三条曲线就是根 1 1 第2 章燃料电池的特性及仿真模刑 据实验数据绘制出的三种不刚型号的v - i 极化曲线。 图2 ，1 种，弘号燃料电池的极化曲线 燃料咆池的极化曲线在低电流时表现出较明显的非线性，当电流大于满载 电流的2 5 h 、j 4 ，极化曲线线性度较好，可近似为线性。如果忽略低电流时的非 线性部分，燃料电池的静态电路模型可简化为一个等效电阻r ，和一个电压源的 串联电路，如图2 5 所示。电压源的电压等于燃料电池的丌路电压v o ，。刊， 等效电阻r p 的值为： r ：! 型二鳖坐!( 2 4 ) p i 。，删一l 。a o 其。h v 。，。为燃料电池窄载时的端r 乜压( 开路电雎) ，v o ，删。为燃料 电池满载时的端电压，i 。，川。为燃料电池满载时的输出电流。 r p 图2 5 燃料【u 池的静态等效电路 从图2 l 还可以看出，不同型号的燃料电池的极化曲线虽具有大致相同的 变化趋势，但具体参数是各4 ：相同的。 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 2 5 2 燃料电池的动态电路模型 燃料电池的动态电路模型又称为燃料电池的交流电路模型。采用实验方法 构建燃料电池的动态电路模型相对于构建静态电路模型要繁琐许多。首先需要 说明，燃料电池的动态电路模型反映的是燃料电池在某一工作点附近小范围内 的工作特性。 使燃料电池工作于v - i 曲线某一直流工作点，并叠加上一个一定频率的小 幅正弦交流电流，检测燃料电池两端的电压，计算出燃料电池的阻抗。从0 到 1 0 k h z 改变正弦交流电的频率，并重复上述的步骤，就可以计算出燃料电池内 阻的频率响应。图2 6 是根据上述实验方法计算并绘制出的一种燃料电池( 型 号为s r - 1 2 ) 在某一直流工作点( 直流电流为1 8 a ，叠加正弦交流电流为1 a ) 时内阻的幅相频率响应，即波特( b o d e ) 图。 改变燃料电池的直流工作点，并重复上述实验，可以得到燃料电池不同工 作点的频率响应。为便于数据分析，可采用另一种反映燃料电池频率特性的表 达形式，即燃料电池的n y q u i s t 阻抗图。n y q u i s t 阻抗图的横坐标表示阻抗的实 部，纵坐标表示阻抗的虚部。n y q u i s t 阻抗图可以比较直观地显示出阻抗的特性： n y q u i s t 阻抗曲线的每一个半圆表示阻抗的一个r c 时间常数，相应于半圆顶点 的频率即是特征频率厂= 1 2 艘c ，半圆的半径表示电阻值r 。图2 7 是两种型 号燃料电池的n y q u i s t 阻抗图。仔细观察图2 7 ，可知燃料电池的n y q u i s t 阻抗 曲线有三个半圆，即说明燃料电池的电路模型具有三个r c 时间常数。结合曲 线拟合的技巧就可以得到燃料电池在某一工作点的动态特性电路模型以及电路 的参数。图2 8 是根据上述实验方法和数据分析方法得到的两种型号燃料电池 的电路模型。表2 2 是两种型号燃料电池的模型参数。 阻抗卜 j ，* 。l f j 拟合曲线l 、。 i ，f f ，。 一h r：、 实验曲线 孤一 ；一 、上。一i 、j j 多鬈 - i 相位l 。肯p 一亡 一 h h - “ ：l i ；： ! 一j 。z ：， 。! 氐 !：f： 一， 图2 6s r 一1 2 燃料电池幅相频率响应的实验数据及拟合曲线 1 3 第2 章燃料屯池的特性及仿真模型 1 骊 ；6 a il i l ：；型： |霪广了礴 盼q n m 阻抗襄帮 ( a ) s r 一1 2 的n y q u i s t 阻抗曲线图( b ) n e x a 的n y q u i s t 阻抗曲线 图2 7 两种不同型号的燃料电池的n y q u i s t 阻抗曲线 图2 8 燃料【i l 池动态电路模型ff _ ：作点：4 5 a ) 表2 2 燃料电池( 满载： 作点) 动态电路模型的参数 燃料 电池 r 1 r 2 r 3 r 4r 5 r 6c lc 2c 3l 1 犁号( q )( q ) ( q )( f 2 )( q )( r l l q )( m f )( m f )( m f )( uh ) s r l 20 4 lo 0 1 1 50 1 70 1 50 0 8 50 0 78 092 52 n e x a0 1 50 0 1 1 50 1 50 1 50 0 6 50 0 77 07 55 54 8 燃料电池的电路模型及模型参数一旦确定，就可以利用计算机仿真软件对 燃料电池建模及仿真。图2 9 是采用m a t l a b s i m u l i n k 中s i m p o w e r s y s t e m s 模块搭建的燃料电池的模型。s i m p o w e r s y s t e m s 模块组中还有诸如i g b t 、 m o s f e t 、二极管等电力电子器件的仿真模块，因此采用s i m p o w e r s y s t e m s 模 块搭建的燃料电池模型可以很方便地和其它电力器件的仿真模块连接组成一个 完整的系统模型。这种模型具有直观，简单方便的特点，便于观察分析电力电 子器件的暂态过程，适用于系统的开环仿真。 1 4 船 哨 舶 躺 删 孵 。 骆嘴嚣舞_喜蓦 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 c 3 图2 9 燃料电池动态电路模型的模块形式 系统闭环仿真时，为提高仿真的速度，往往忽略电力电子器件的暂态过程， 面把其视为理想的开关器件，这时，整个系统包括燃料电池的模型可以采用传 递函数的形式。图2 1 0 是燃料电池的采用m a t l a b s i m u l i n k 搭建的传递函数模 型。燃料电池及整个系统传递函数模型的搭建相对比较复杂，直观性不强，并 且由于忽略电力电子器件的暂态过程，仿真结果的准确性也会受到一定程度的 影响。但是采用传递函数模型可以使仿真速度得到数量级上的提高。因此，系 统的闭环仿真往往采用传递函数模型。 图2 1 0 燃料电池动态电路模型的传递函数形式 1 5 第2 章燃料电池的特性及仿真模型 燃料电池的动态电路模型是一个比较复杂的三阶电路，研究特定频率下的 燃料电池，其动态电路模型可做简化处理。特定频率下模型中的动态元件阻抗 值是固定的，可以经过串联电路、并联电路简化计算得到燃料电池在特定频率 下只含有一个动态元件的电路模型。例如，在交流频率为1 0 0 h z 时，经过简化 计算燃料电池的动态模型如图2 1 l 所示，图中r 小= 0 1 3 3 4 f 2 ， c f c l 0 0 = 4 6 3 6 m f ，分别表示交流1 0 0 h z 下，燃料电池等效内阻抗的纯阻性部分 和容性部分。 图2 1 1 交流1 0 0 h z 时燃料电池动态电路模型 1 6 第3 章燃料电池d c a c 变换器主电路研究 3 1 引言 第3 章燃料电池d c a c 变换器主电路研究 根据燃料电池发电系统的级数，可以将其分为两大类：类是单级系统， 该类系统只通过一级功率变换装置产生交流奄；一类是多级系统，该类系统通 过两级或多级功率变换产生交流电。 单级系统的框图如图3 。l 所示。对于这种拓扑结构的单级系统，燃料电池 经过一级l c 滤波后接工频d c a c 变换器，仅采用一级功率变换，电路结构简 洁，使用的功率器件少，效率相对较高。 f c 甜 工频逆变器 rl 燃料电池滤波器 工频变压器 滤波器 图3 。1 燃料电池单级系统框图 用 户 单级系统结构简单，但也存在以下闯题： 1 要求燃料电池输出电压较高，需多级燃料电池单体串联，增加了成本。 2 。燃料电池的输出电压变动范围较大，满负荷时，压降可达开路电压的三 分之一。在选取变换器的功率器件时，需按照空载电压来选择，提高了对功率 器件的要求，变化的直流电压也给d c a c 变换器的控制带来难度。 3 对予单相燃料电池发电系统，燃料电池输出电流以两倍的系统输滋电流 频率波动，波动的输出电流使燃料电池使用寿命降低，燃料不能充分利用。 4 如采需要隔离发电，则在变换器后增加工频变压器，但是工频变蘧器体 积和重量大、音频噪音大。 多级系统目前在家用燃料电池发电系统( 小于等于1 0 k w 等级) 中应用的 1 7 第3 章燃料电池d c a c 变换器主电路研究 比较多。图3 。2 是两级结构的燃料毫池发电系统，燃料电池经一级d c d c 变换 后接d c a c 变换器。由于d c d c 变换器的拓扑结构种类较多，所以两级结构 的发电系统的拓扑结构也很多。经过稳压后的直流电压比较稳定，对d c a c 变 换器的功率器件和控制要求降低。如果需要隔离，可以在d c d c 变换器这一级 使用高频变压器隔离，这样避免了工频变压器，减小了系统的体积和重量。 但是，多级的燃料电池发电系统相对于单级系统而言，绐构比较复杂，应 用的器件比较多，这增加了系统的成本和故障概率，而且由于损耗增加，对整 个系统的效率必然有所影晌，这些都是采用多级系统时必须要考虑的问题。 f c lll 纛c 丰c 牟 rl 燃料电池d c d c 变换器d c a c 变换器 圈3 2 燃料电池两级系统框图 本课题研究的霉标是设计一台配合燃料电洼使熊的d c a c 交换器样机，其 要求是：输出为工频5 0 h z 的2 2 0 v 正弦交流电压，输出功率为1 1 0 0 w 。根据理 论计算，d c a c 变换器直流侧的最低电压要求为2 2 0 x 2v ，即3 l l v 。事实上， 由于存在开关管愿降、滤波器压降等因素，并考虑为d c a c 变换器预留一定的 动态调节裕量，设定直流侧的电压为3 7 5 v 是比较合理的。考察生产厂商1 1 0 0 w 及相近规格燃料电池的资料，燃料电池的输蹬电压均不大予5 0 v 。我们选取 b a l l a r d 公司出产的n e x a 燃料电池作为本课题研究的对象。表3 1 是有关这款 燃料电涟的技术参数。 表3 1b a l l a r dn e x a 燃料电池的电气参数 燃料电泡型号空载电压满载电压满载电流 最大功率电遗个数 ( v )( v )( a ) ( w ) n c x a4 2 。22 6 24 51 2 4 8 满载时，n c x a 燃料电池的输出电压为2 6 2 v ，空载时，其输出电压也仅为 4 2 。2 v 。显然有必要在燃料电池与d c a c 变换器之间设置具有升压功能的 d c d c 变换器。 1 8 第3 章燃料电池d c a c 变换器主电路研究 根据以上分析，我们可以绘出燃料电池发电系统的结构图，如图3 3 所示。 图中的i i i 、v 部分组成全桥d c d c 变换器，其作用是将燃料电池输出的 4 2 2 v 2 6 2 v 电压变换为稳定的3 7 5 v 电压。 系统工作时，由于系统输出为单相工频交流电，因此第部分d c a c 变换 器的输入电流含有大量的1 0 0 h z 的交流成分。纹波电流对前置电路以及燃料电 池的工作会造成影响。有研究表明【8 】，频率低于1 2 0 h z ，幅值超过平均电流4 的波动电流会对燃料电池造成使用寿命缩短、输出功率降低等损害。因此，系 统的设计必须考虑对1 0 0 h z 纹波电流的抑制。降低纹波电流对燃料电池的影响， 可以从环节i i 和两个环节对纹波电流加以抑制。相比较，环节i i 是低电压、 大电流环节，环节是高电压、小电流环节，若要达到相同的滤波效果，在环 节滤除纹波电流时滤波电感可以做得更小，而且，把环节作为纹波电流滤 波器可以减小纹波电流对前置d c d c 变换器的影响。因此，本设计采取在环节 抑制1 0 0 h z 纹波电流，设计的目标是使流过滤波电感的纹波电流的幅值不大 于平均电流的4 。 i i 一厂一i i 一1 l l i 旷t | - ? 一一一一r 一 一页 电池：滤波： 高频逆变 扣变压器：整流： 滤波： 工频逆变：滤波 ：负载 r ， 码0 勾0 l ： 厶缸 q 岛嗣岛 ” 诤 lc 知= q b 镛 i l口。肌 厥 司 l 俺冤j 勖i 勾岳勾岳与 l r _ j i y - 一 图3 3 燃料电池发电系统结构图 本章研究的重点是图3 3 中的i i 、部分。第1 i 部分是d c d c 变 换器的输入滤波器，其作用是为d c d c 变换器提供稳定的直流电压。第部分 l c 低通滤波器，其作用是双重的：一是作为d c d c 变换器的输出滤波器，滤 除输出电压中的高频谐波；二是作为d c a c 变换器输入滤波器，为d c a c 变 换器提供稳定的直流电压，降低d c a c 变换器产生的纹波电流对前端电路的影 响。第部分是全桥d c a c 变换器，其作用是将直流电压变换成基波频率为 5 0 h z 的脉宽调制电压。第部分是输出滤波器，其作用是滤除d c a c 变换器 1 9 第3 章