燃料电池逆变控制器设计论文

1、 TOC o 1-5 h z 中文摘要3英文摘要4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1 绪论5_1.1背景与意义5_1.2并网系统主电路拓补6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document _1.3 DSP逆变控制器控制策略 6 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 二1.4 双闭环反馈系统和T型滤波结构8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2燃料电池工作原理及模型介绍 92.1燃料电7tk发电9一 燃料电池原理

2、与分类 10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document _2.2 燃料电池发电13燃料电池静态输出特性 13燃料电池动态输出特性 14燃料电池优点 14 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 燃料电池主变换器 DC-DCg计15 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 变换器设计参数与要求 15 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document _3.2变换器模型选择15 HYPERLINK l bookmark28 o Curr

3、ent Document 逆变系统硬件电路设计 19 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 电源整体结构与工作原理 19_4.2逆变系统电路设计20逆变系统电路设计 20AC/DC 整流电路与输入滤波电路 20功率开关管的选取21输出低通滤波器设计224.3单元电路设计23一系统开发平台选型23电平转换板设计234.3.3 IGBT 驱动电路设计 24信号调理电路设计25 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 5基于DSP的燃料电池逆变控制器设计27 HYPERLINK l bookmark45 o C

4、urrent Document 现代逆变系统基本结构27 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document SPWM空制技术28SPWM控制的基本原理 28PWM型逆变电路的调制方式 28SPWM驱动脉冲的实现方法31 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document _5.3单相SPW迸变器数学模型 32电压电流双环控制设计34电流内环控制器设计 35电压外环控制器设计36 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 数字控制的DSF现38 HYPERLINK l bookmark1

5、07 o Current Document 结论 39 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 谢辞 40参考文献 41附录 42燃料电池逆变控制器设计摘 要：FC（燃料电池）发电时在一定条件下使氢气、天然气或煤气与氧化剂发生电 化学反应，将化学能直接转换为电能的过程。与常规电池的不同之处在于：只要有燃料和氧化剂供给， FC 就会有持续不断的电力输出，具有能量转换效率高、洁净、无污染、噪音低等优点，既可以集中供电也适合分散供电。本文将进行基于DSP 的燃料电池逆变控制器设计，首先将讨论燃料电池的特性与并网的建模策略，即研究 PEMFC质子交换膜燃料

6、电池）电池特 性，并在燃料电池供电系统中进行建模。然后将讨论供电系统主网络拓补，综合经济型和效能方面考虑，本文将选择DC- DC变换器进行直流升压，变换器部分采用电流式推挽拓补结构。经过相应整流电路后选择DC-AC逆变器进行直流向交流的转化，逆变器部分采用全 H 桥结构。在此之后有低通滤波器与电网进行连接。最后在设计基于 DSP 的控制器电路拓补。该部分将按照同名同相的原则对电网电压相关参数进行抽样，与并网系统的采样参数进行比较。控制器进而通过反馈输出高频PWMF号调节DC- DC变换器和特定频率的SPWM1号调节DC-AC逆变器。在相关论文中，已有大量试验数据和图表证明了相关变换器和逆变器结

7、构的合理性，在论文中将会进行比较。在模块化设计下，基于DSP 的控制电路，将是本文的核心部件和核心内容。关键词 ： 燃料电池；逆变控制；DSP； SPWMAbstract: FC(fuel cell) generation is a electrochemical reaction of natural or coal gas with oxidizing agent under certain circumstance. It can convert chemical energy into electrical power directly. The difference between

8、FC and other conventional energy resources is that : the power generated from FC can be constant as the materials for the reaction can be supplied constantly. Besides, FC generation is a efficient, clean and green way for power generation. FC can either be connected to the grid or make power indepen

9、dently.In this article the design of FC inverting controller based on DSP will be discussed. Firstly, a discussion on the characteristic of FC and mathematical model in the grid will be made. PEMFC(Proton Exchange Membrane Fuel Cell) is the selection. Secondly, main circuit topology attached to the

10、grid will be designed. According to efficiency and economy, DC-DC convertor is selected to transform the voltage to a high level. And current-fed push-pull model is admitted for the DC-DC convertor. The DC-DC process leaves the current to be direct that is not the target output. The DC-AC process gi

11、ves the solution. H-bridged topology is the final decision after comparison and choice. Finally, the core part is the topology design for DSP control system. This part will be compared with the same name when sampling the voltage and current from the net. The control system will take a feedback form

12、 the comparison such as giving out high frequency PWM signals to DC-DC part and positive SPWM signals to DC-AC part to meet the requirement of the grid.Keywords: FC; inverting control,; DSP; SPWM1 绪论本文研究的主题是基于DSP的燃料电池逆变控制器的设计。本章首先给出设计背景和研究意义， 提出研究目标及需要解决的问题， 综述了燃料电池并网系统的主电路拓补、基于DSPa变控制器控制策略。最后针对电网参数

13、的特殊要求，设计了双闭环反馈系统及相应的 T 型低通滤波器。背景与意义当今社会， 随着高精度电子设备的广泛使用， 人们对动力系统的要求越苛刻，就越对供电系统的电能质量要求更加苛刻。这也就促使了电网向智能电网转变。而作为智能电网最重要的一环，分布式发电系统以其清洁、环保、可靠、模块化得到广泛的青睐。 目前， 基于光伏发电和基于风力发电技术已经相当成熟， 但是受到自然因素影响较大。 而燃料电池发电不仅不受到自然因素等的影响， 还可以实现持续供电，故在分布式发电中的应用前景是很光明的。再谈下数字化控制。 目前， 数字化已经成为信息社会的主流， 电力电子的数字控制势不可挡。随着高速 GTO GTR I

14、GBT等具有自关断能力的功率开关管出现和商品化，使功率变换装置的结构不断简化、可靠性不断提高。同时，高性能微处理器如单片机，DSP的出现及现代控制理论的发展，使逆变电源的数字控制成为了可能。综合上述， 可以看到， 燃料电池逆变电源的数字化控制将会是一个很有希望的研究领域。 它易于采用先进的控制方法和智能控制策略， 使得逆变电源的智能化程度更高，性能更加完美，升级方便，甚至可以在线修改控制算法，而不必更改硬件线路。另外从制造及维护角度来看，它易于标准化，系统维护方便，系统一致性较好，生产成本低，生产制造方便。尽管燃料电池数字逆变系统有很多优点，但是仍然存在着很多问题：就本文课题来看，逆变控制器的

15、设计目的在于并网，而电网的特点在于电压和频率稳定不变， 而电流是随负荷变化而变化。 即开环控制已经不适合对于电网参数的跟踪和反馈。.在主电路逆变环节加载上SPWMS号后如何产生电压失真率最小的正弦波信号。.对于数字式PWM都存在一个为了防止桥臂导通短路而故意产生的死去,但是这将会对逆变器电压的输出幅值产生影响。本文的研究目的是对5KW然料电池逆变控制器的设计，在DSP散处理器的控 制下实现对输出信号频率、幅值和相位的严格控制。最终输出220V, 50HZ稳压、 稳频的单向交流电，电压波形失真率小于 3%并网系统主电路拓补主电路拓补将按照模块化进行说明，具体将分为燃料电池电源模型、DC-DC升压

16、环节、整流环节、DC-AC变环节、低通滤波环节。主电路拓补结构选择与参数计算将在第三章中进行详细说明。其相关拓补结 构图可参见图1-1所示。由于主电路拓补不是本文的重点部分，这里不再赘述图1.11.3 DSP逆变控制器控制策略1. SPWMW号与正弦信号基于DSP内部可以生成高频的三角载波，而正弦波经过三角波调制后可以生 成幅值相同的SPWMB制波，而SPWM制波在频域内表达式与正弦波表达式相同， 经过低通滤波器后SPWME时域内又可变为正弦信号。这是离散数字信号控制正 弦信号的实现基础。相应图形将在后续章节有说明。2.锁相环技术锁相环技术是DSPS制中的关键，当电网电压信号经电压互感器变成较

17、小电压时通过过零采集器，将电压正弦信号滤掉负半周期信号，同时正半周期变为门 信号。其相应结构见图1-2。图1.2矩形波信号将进入DSP的CAP引脚中，CAP引脚为计时器引脚，当矩形波处 于上升沿时将激发CAP引脚产生高电平信号，内部计数器将进行技术，相隔两个 上升沿便是一个周期，通过对比信号，可以对比两个信号的间隔时间比较确定频 率的误差从而进行纠正。而计时器对相同计算次数的时间差极为相位差，图 1-3 给出了相应的示意图。可以设参考电压周期为 T,计数器两次计数之差为单位1 时间即为时间而采样信号与参考信号在同等计数数值时，相差的时间记为t, 可根据图1-3得出：(1.1)其中 为采样信号与

18、电网信号的相角差。图1.31.4双闭环反馈系统和T型滤波结构采用双闭环反馈系统是由电网参数所决定的， 电压反馈必须要精确而且零误 差，这些特性正是PI控制策略所具有的。而电流反馈不一定要求准确，但是要 求快速，因为电网电流是快速变化的，所以要求控制具有快速相应，选才P控制 策略即可。这一部分详见。滤波器是逆变电源系统的一个重要环节。 燃料电池分布式电源系统通常采用 PWM制的高频开关逆变方式，滤波器的主要目的在于抑制高频开关产生的电压 和电流纹波。至于为什么选择LCLL8波电路而没有选择LQ8波电路，查阅相应资 料得到图1.4o o o o O 11 3 5 7 - _ _ 一一LCL滤波器一

19、- L型滋波器一 12 燃料电池工作原理及模型介绍燃料电池发电能源是人类赖以生存的基础，是社会经济可持续发展的物质保障。人类为了更有效地利用能源一直在进行着不懈的努力。 历史上利用能源的方式有过多次 革命性的变革，从原始的蒸汽机到汽轮机、高压汽轮机、内燃机、燃气轮机，每一次能源利用方式的变革都极大地推进了现代文明的发展。随着现代文明的发展， 人们逐渐意识到传统的能源利用方式有两大弊病。 一 是储存于燃料中的化学能必须首先转变成热能后才能被转变成机械能或电能， 受 卡诺循环及现代材料的限制，在机端所获得的效率只有3335% 一半以上的能量白白地损失掉了； 二是传统的能源利用方式给今天人类的生活环

20、境造成了巨量 的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。对于发电行业来说，虽然擦用的技术 在不断地升级，如开发了超高压、超临界、超超临界机组，开发出了流化床燃烧 和整体气化联合循环发电技术， 但这种努力的结果是： 机组规模巨大、 超高压远 距离输电、投资上升，到用户的综合能源利用效率仍然只有35%左右，大规模的污染仍然没有得到根本解决。近年来，能源紧缺、环境污染等问题的日益严重，可再生清洁能源的利用、能源多元化以及先进高效的能源利用技术已经成为人类社会可持续发展的必然要求， 因而对于太阳能、 风能以及氢能等开发利用已日渐加快， 新型分布式发电技术也越来越受到人们的重视。 其中， 燃料电池发电尤其成

21、为当今研究开发的热 点之一。燃料电池是将化学反应中产生的化学能直接转化为电能的电化学装置， 具有 燃料利用效率高、功率密度大、环保无污染、容量可根据需要而定等多种优点，可以作为并网发电装置与后备电源应用。 特别在分布式发电系统中， 燃料电池与太阳能、 风能、 水能等可再生能源相比由于不受地域等因素的限制， 更适合应用于各种不同的场合和保证关键负荷的运行， 因此燃料电池并网发电系统具有广泛 的应用前景。大型电站火力发电机组的规模足够大才能获得令人满意的效率， 但装有巨型机组的发电厂又受各种条件的限制不能贴近用户， 因此只有集中发电由电网输送给用户。 但是机组大了其发电的灵活性又不能适应用户的需要

22、， 电网随着用户的用电负荷变化有时呈现为高峰， 有时则呈现为波谷。 为了适应用电负荷的变化只好备用一部分机组或修建抽水蓄能电站来应急， 这在总体上都是以牺牲电网的效益为代价的。传统的火力发电站的燃烧能量大约有近70%被浪费，燃烧时还会排放大量的有害物质。而使用燃料电池发电，是将燃料的化学能直接转换为电能，发电效率可达40%-60%如果应用于企业、饭店、宾馆、家庭，采用热点联产联用，输热和输电损失极小，综合能源效率可达80%以上。燃料电池被成为是继水力、 火力、 核能之后第四代发电装置和替代内燃机的动力装置。国际能源界预测，燃料电池是21 世纪最有吸引力的发电方法之一。我国人均能源资源贫乏， 在

23、目前电网由主要缺少电量转变为主要缺少系统备用容量、 调峰能力、 电网建设滞后和传统的发电方式污染严重的情况下， 研究和开发燃料电池发电具有重要意义， 这种发电方式与传统的大型机组、 大电网相结合给我国带来巨大的经济效益。燃料电池产生不稳定的直流电，必须配备功率变换器（PCU） ，来调节、控制和管理电源输出， 以得到符合要求的交流电能。 为满足燃料电池发电应用的要求，针对燃料电池发电的电力电子变换装置与技术的研究与开发已成为一项重要的课题。 这正是当前各个国家研究的热点， 也是我国国内燃料电池发电技术中最薄弱的环节之一。逆变是燃料电池并网发电的重要环节， 直接关系到电源系统的电能质量、 安全和可

24、靠性。 尽管燃料电池并网逆变与太阳能、 风能并网逆变类似， 迄今也已取得不少研究成果， 但仍有不少问题需进一步研究解决， 特别是燃料电池的特点使其具有更高的应用环境适应性和并网与独立运行要求。 因而对燃料电池逆变的有效控制十分必要。本文将针对燃料电池在分布式电源系统额应用要求， 着重于探讨基于数字信号处理器（DSP）的燃料电池逆变控制器的设计过程。燃料电池原理与分类燃料电池是将化学反应过程中产生的化学能直接转变为电能的电化学装置。它通过氢气和氧气结合的电化学反应生成电能和热能。 燃料电池的基本单元由电解质以及链接到电解质两侧的多孔渗水阴极和阳极组成。 图 2-1 所示为燃料电池的基本原理以及反

25、应物流向。在典型的燃料电池中，气态氢燃料连续不断地向阳极室（负电极） ，而氧气 则连续地流向阴极室（正电极）。在电极表面催化物的作用下发生反应，阳极氢 分离出带电的质子通过电解质从一个电极转移到另一极，而电子则通过外电路实现转移，从而形成电流。在阴极质子氢与氧结合，生成水和热，排出燃料电池。 理论上只要不断地施加燃料与氧气，可以连续不断地输出电能。除采用氢气作为燃料外，燃料电池还可以用天然气、甲醇、汽油等其他碳氢 化合物作燃料。由于电解质的不同，燃料电池有多种不同的类型。按电解质不同 主要可以分为五种类型：1.质子交换膜（PEMEC; 2.碱性燃料电池（AFC ; 3. 磷酸燃料电池（PAFC

26、； 4.熔盐燃料电池（MCFC； 5.固体氧化物燃料电池（SOFC 等。表2.1所列五种主要类型的燃料电池及其相应的反应条件和特性。美笈AFC硬性熟料 电池PEMPC质子交换膜燃料电池PAFC硝酸燃料电池MCFC期融宙燃料电 %sore固体氧化物燃料电池工作温度60J20160-220600-1000特性无污染排 放；效率 工制地成本高污染棒放 小F味阳底 采用固体电 介质；泞染撑放小： 味音低；岬用 苒连续运行效率F%热利用方便二味 音惬:无需外部 气体配置；腐地性电解液热利用方便.噪 音低;无需外部 气体配混】需潼 慢电解灌：电斛质 .筮氧化钾 溶液质子可痔进 膜磷酸理和决陵阳固体陶瓷体懈

27、料螭氢.甲薛大然气等天然气蝗 大感气、那T 沼气等火然气、燃气、沼气等电效率TM-90K43一将蓊-42%50%曲 1表2.1最基本的燃料电池结构成为电池单元(Cell ),电池单元的电压在理想条件 下由燃料的电化学动力特性决定。在标准温度下和压力条件下，由氢气和氧气反应产生的理论电压为E o当反应生成物为液态水时，E =2.29V;当反应生成物 为气态水时，E =1.18V。电池实际电压受到温度、气压等因素的影响，可以由 能斯脱方程(Nernst Equation )给出，(2. 1 )Ph 2为氢气压强，Ph 2o为通过多个单元的串联与并0 RT , FH2 RT , E E In In

28、. FO2FPH20 2F - 2其中，R为气体常数，T为绝对温度，F为法拉第常数, 液态或汽态水的压强，而Po2则为氧气的压强。电池单元输出电流大小则有电流密度和面积决定。联，构成燃料电池电堆，得到满足负载要求的足够的电压和电流。燃料电池应用系统除了电堆外，还必须配备燃料与空气处理、温度和压力的 调节、水与热的管理以及功率变换等多个处理子系统。这些子系统工作时密切相 关的。燃料电池电源系统的设计与运行性能也依赖于各个子系统，具运行成本、 效率等常常是各环节折衷与整体优化的结果。燃料电池发电燃料电池的输出特性与蓄电池有一些类似，但有本质的区别。与蓄电池类似， 燃料电池单元输出为直流电，有确定的

29、正极和负极。通过多个单元的串联与并联 可以使电压或电流线性化叠加。但燃料电池发电装置只能以正向电流输出能量， 不能电流反向输入电能，这是与蓄电池完全不同的。燃料电池特性受到温度、气压、电池结构材料、燃料纯度以及负载等因素的 影响。燃料电池静态输出特性图2.2显示燃料电池在标准条件下给以固定的燃料流量时， 典型的燃料电池 电流密度与输出电压的关系。这是在稳定的输出电流电压下的静态特性。 从图上 可以看到，随着电流密度的增加，燃料电池输出电压有明显的下降， 燃料电池电 压特性可明显地分为三个不同特性的区域：活化区、欧姆极化区和密集极化区。其中，活化区是燃料电池在产生电流前使反应物激活所付出的电压损

30、失，其电压损失随着电流密度的增加而指数增大，但其主要是在电流密度较小的阶段表现突 出，当电流较大时活化电压损失相对地不再明显； 欧姆极化区是电流流经燃料电 池电解质和电极材料时的内阻电压损失， 符合欧姆定律，随着电流密度的增加电 池端电压呈现近似线性下降的规律；密集极化区是当电流密度的增加达到某种程 度时，反应物进出电极表面参与反应的流量受限因而造成电压快速下降。通常燃料电池正常工作时处于欧姆极化区内，电压随负载变化较大。麒柳一la化 E 一O 5 L0.)日整型驻总损耗!欧的城化区0 0Q,20.4060.81.0电流密度（A/crj，）燃料电池动态输出特性燃料电池的动态特性主要表现在功率输

31、出响应慢， 前述燃料电池的静态特性是在固定的燃料压力与流量条件下的电压电流特性。 实际应用中， 负载的持续和变化将对前述条件产生影响， 控制系统需根据运行状况做相应的调节。 当负载条件变化时，如负载电流突然加大，燃料电池系统需对燃料流量、压力作调节，而这一调节过程往往具有较大的时间常数， 才能适应负载要求。 如果仅有燃料电池来供电， 负载突变还易引起燃料电池寿命下降。 因此电源系统需配备能量缓冲环节，如蓄电池等。燃料电池优点与其它发电方式相比，燃料电池具有以下优点：转换效率高。燃料电池的能量转换效率比热机能量转换效率高很多。目前汽轮机或柴油发电机的效率仅为30-40%,而PEMFC?燃料电池的

32、发电能效可达到 43-58%，如采用热点联合方式，整体效率可达到80%。污染小、 噪音低。 燃料电池作为发电装置使用时， 其突出优点是污染排放低。对于氢燃料电池，其发电生成物只有水，可实现零污染。此外，燃料电池发电无传统热机引擎等机械传动部分，故运行环境无噪声污染。模块化、可靠性高。燃料电池发电装置可以根据用户需要灵活配置输出电压和功率容量，具有很好的积木化特性，采用模块化结构可方便组装和维修。与燃烧涡轮机循环系统或内燃机相比，燃料电池发电系统其转动部件很少，因而系统更加安全可靠。功率密度高、可移动性好。燃料电池发电的功率密度较高，发电装置可根据需要灵活配置，体积小，环境适应性强，适合城市集中

33、用电区域，并易于实现便携、移动。适应能力强。燃料电池可以使用多种多样的燃料，如天然气、煤气、甲醇、 乙醇、汽油以及其它传统发电不易使用的低质燃料，适用能力较强。3燃料电池主变换器DC-DC设计变换器设计参数与要求为了使燃料电池在特殊条件下也能正常运行，对所选择的变换器拓扑结构和 性能指标做如下要求：.根据所给的参量来控制；.向电网传输的电流应具备高功率因数和低谐波失真；.在整个工作范围内高效运行；.燃料电池提供的电流所含的高频波纹应保持在较低范围内；.符合最经济原则；基于本课题的任务，研究5kw燃料电池的并网逆变控制器，由于燃料电池正 常工作的电压范围在25V-45V,必须将其电压转换成110

34、V或220V左右以达到直流转换交流并向电网供电的条件。同时尽量使输出电压THD不大于3%由第一章的相关结论可以得到燃料电池系统模型和在整体系统中的位置为图3-1所示:图3.1由上图可以看到输入变量 VFC随着电流增加而降低。在本文中，我们规定燃 料电池在电压25V时的峰值功率为5KW空载电压为45V。我们假定该燃料电池 系统在始终在峰值功率条件下工作，可以得到变换器模型选择由课题研究可以发现，燃料电池逆变器应在燃料电池终端和电网终端加入电隔离，因为燃料电池的正常工作电压范围是 25到45V直流电压，而电网的电压 有效值为230V交流电压。因此逆变器起着两方面的作用：电流逆变和电压的放 大。给出下图给出了两种连接模式。为了节省占地面积和降低系统损耗， 通常会 选择第二种模式。因为直流变压器已经被取代及逆变系统已经标准化，与电网连 接的逆变器能够使GPI系统（可再生能源逆变系统的总称）更加模块化。国.显示电压在KTC环节埴溢，图b显示电压在DC-DC环节增益图3.2直流变压器下图所示可以是电流式变换器或者电压式变换器。在直流变压器中，因为电感设置在输入端