燃料電池逆變控制器設(shè)計(jì)論文

1、 TOC o 1-5 h z 中文摘要3英文摘要4 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1 緒論5_1.1背景與意義5_1.2并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓補(bǔ)6 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document _1.3 DSP逆變控制器控制策略 6 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 二1.4 雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)和T型濾波結(jié)構(gòu)8 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2燃料電池工作原理及模型介紹 92.1燃料電7tk發(fā)電9一 燃料電池原理

2、與分類 10 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document _2.2 燃料電池發(fā)電13燃料電池靜態(tài)輸出特性 13燃料電池動(dòng)態(tài)輸出特性 14燃料電池優(yōu)點(diǎn) 14 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 燃料電池主變換器 DC-DCg計(jì)15 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 變換器設(shè)計(jì)參數(shù)與要求 15 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document _3.2變換器模型選擇15 HYPERLINK l bookmark28 o Curr

3、ent Document 逆變系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 19 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 電源整體結(jié)構(gòu)與工作原理 19_4.2逆變系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)20逆變系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 20AC/DC 整流電路與輸入濾波電路 20功率開(kāi)關(guān)管的選取21輸出低通濾波器設(shè)計(jì)224.3單元電路設(shè)計(jì)23一系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)選型23電平轉(zhuǎn)換板設(shè)計(jì)234.3.3 IGBT 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 24信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)25 HYPERLINK l bookmark43 o Current Document 5基于DSP的燃料電池逆變控制器設(shè)計(jì)27 HYPERLINK l bookmark45 o C

4、urrent Document 現(xiàn)代逆變系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)27 HYPERLINK l bookmark79 o Current Document SPWM空制技術(shù)28SPWM控制的基本原理 28PWM型逆變電路的調(diào)制方式 28SPWM驅(qū)動(dòng)脈沖的實(shí)現(xiàn)方法31 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document _5.3單相SPW迸變器數(shù)學(xué)模型 32電壓電流雙環(huán)控制設(shè)計(jì)34電流內(nèi)環(huán)控制器設(shè)計(jì) 35電壓外環(huán)控制器設(shè)計(jì)36 HYPERLINK l bookmark105 o Current Document 數(shù)字控制的DSF現(xiàn)38 HYPERLINK l bookmark1

5、07 o Current Document 結(jié)論 39 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 謝辭 40參考文獻(xiàn) 41附錄 42燃料電池逆變控制器設(shè)計(jì)摘 要：FC（燃料電池）發(fā)電時(shí)在一定條件下使氫氣、天然氣或煤氣與氧化劑發(fā)生電 化學(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能的過(guò)程。與常規(guī)電池的不同之處在于：只要有燃料和氧化劑供給， FC 就會(huì)有持續(xù)不斷的電力輸出，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、潔凈、無(wú)污染、噪音低等優(yōu)點(diǎn)，既可以集中供電也適合分散供電。本文將進(jìn)行基于DSP 的燃料電池逆變控制器設(shè)計(jì)，首先將討論燃料電池的特性與并網(wǎng)的建模策略，即研究 PEMFC質(zhì)子交換膜燃料

6、電池）電池特 性，并在燃料電池供電系統(tǒng)中進(jìn)行建模。然后將討論供電系統(tǒng)主網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)，綜合經(jīng)濟(jì)型和效能方面考慮，本文將選擇DC- DC變換器進(jìn)行直流升壓，變換器部分采用電流式推挽拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)。經(jīng)過(guò)相應(yīng)整流電路后選擇DC-AC逆變器進(jìn)行直流向交流的轉(zhuǎn)化，逆變器部分采用全 H 橋結(jié)構(gòu)。在此之后有低通濾波器與電網(wǎng)進(jìn)行連接。最后在設(shè)計(jì)基于 DSP 的控制器電路拓補(bǔ)。該部分將按照同名同相的原則對(duì)電網(wǎng)電壓相關(guān)參數(shù)進(jìn)行抽樣，與并網(wǎng)系統(tǒng)的采樣參數(shù)進(jìn)行比較。控制器進(jìn)而通過(guò)反饋輸出高頻PWMF號(hào)調(diào)節(jié)DC- DC變換器和特定頻率的SPWM1號(hào)調(diào)節(jié)DC-AC逆變器。在相關(guān)論文中，已有大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和圖表證明了相關(guān)變換器和逆變器結(jié)

7、構(gòu)的合理性，在論文中將會(huì)進(jìn)行比較。在模塊化設(shè)計(jì)下，基于DSP 的控制電路，將是本文的核心部件和核心內(nèi)容。關(guān)鍵詞 ： 燃料電池；逆變控制；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 緒論本文研究的主題是基于DSP的燃料電池逆變控制器的設(shè)計(jì)。本章首先給出設(shè)計(jì)背景和研究意義， 提出研究目標(biāo)及需要解決的問(wèn)題， 綜述了燃料電池并網(wǎng)系統(tǒng)的主電路拓補(bǔ)、基于DSPa變控制器控制策略。最后針對(duì)電網(wǎng)參數(shù)

13、的特殊要求，設(shè)計(jì)了雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)及相應(yīng)的 T 型低通濾波器。背景與意義當(dāng)今社會(huì)， 隨著高精度電子設(shè)備的廣泛使用， 人們對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)的要求越苛刻，就越對(duì)供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量要求更加苛刻。這也就促使了電網(wǎng)向智能電網(wǎng)轉(zhuǎn)變。而作為智能電網(wǎng)最重要的一環(huán)，分布式發(fā)電系統(tǒng)以其清潔、環(huán)保、可靠、模塊化得到廣泛的青睞。 目前， 基于光伏發(fā)電和基于風(fēng)力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟， 但是受到自然因素影響較大。 而燃料電池發(fā)電不僅不受到自然因素等的影響， 還可以實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電，故在分布式發(fā)電中的應(yīng)用前景是很光明的。再談下數(shù)字化控制。 目前， 數(shù)字化已經(jīng)成為信息社會(huì)的主流， 電力電子的數(shù)字控制勢(shì)不可擋。隨著高速 GTO GTR I

14、GBT等具有自關(guān)斷能力的功率開(kāi)關(guān)管出現(xiàn)和商品化，使功率變換裝置的結(jié)構(gòu)不斷簡(jiǎn)化、可靠性不斷提高。同時(shí)，高性能微處理器如單片機(jī)，DSP的出現(xiàn)及現(xiàn)代控制理論的發(fā)展，使逆變電源的數(shù)字控制成為了可能。綜合上述， 可以看到， 燃料電池逆變電源的數(shù)字化控制將會(huì)是一個(gè)很有希望的研究領(lǐng)域。 它易于采用先進(jìn)的控制方法和智能控制策略， 使得逆變電源的智能化程度更高，性能更加完美，升級(jí)方便，甚至可以在線修改控制算法，而不必更改硬件線路。另外從制造及維護(hù)角度來(lái)看，它易于標(biāo)準(zhǔn)化，系統(tǒng)維護(hù)方便，系統(tǒng)一致性較好，生產(chǎn)成本低，生產(chǎn)制造方便。盡管燃料電池?cái)?shù)字逆變系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在著很多問(wèn)題：就本文課題來(lái)看，逆變控制器的

15、設(shè)計(jì)目的在于并網(wǎng)，而電網(wǎng)的特點(diǎn)在于電壓和頻率穩(wěn)定不變， 而電流是隨負(fù)荷變化而變化。 即開(kāi)環(huán)控制已經(jīng)不適合對(duì)于電網(wǎng)參數(shù)的跟蹤和反饋。.在主電路逆變環(huán)節(jié)加載上SPWMS號(hào)后如何產(chǎn)生電壓失真率最小的正弦波信號(hào)。.對(duì)于數(shù)字式PWM都存在一個(gè)為了防止橋臂導(dǎo)通短路而故意產(chǎn)生的死去,但是這將會(huì)對(duì)逆變器電壓的輸出幅值產(chǎn)生影響。本文的研究目的是對(duì)5KW然料電池逆變控制器的設(shè)計(jì)，在DSP散處理器的控 制下實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出信號(hào)頻率、幅值和相位的嚴(yán)格控制。最終輸出220V, 50HZ穩(wěn)壓、 穩(wěn)頻的單向交流電，電壓波形失真率小于 3%并網(wǎng)系統(tǒng)主電路拓補(bǔ)主電路拓補(bǔ)將按照模塊化進(jìn)行說(shuō)明，具體將分為燃料電池電源模型、DC-DC升壓

16、環(huán)節(jié)、整流環(huán)節(jié)、DC-AC變環(huán)節(jié)、低通濾波環(huán)節(jié)。主電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)選擇與參數(shù)計(jì)算將在第三章中進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。其相關(guān)拓補(bǔ)結(jié) 構(gòu)圖可參見(jiàn)圖1-1所示。由于主電路拓補(bǔ)不是本文的重點(diǎn)部分，這里不再贅述圖1.11.3 DSP逆變控制器控制策略1. SPWMW號(hào)與正弦信號(hào)基于DSP內(nèi)部可以生成高頻的三角載波，而正弦波經(jīng)過(guò)三角波調(diào)制后可以生 成幅值相同的SPWMB制波，而SPWM制波在頻域內(nèi)表達(dá)式與正弦波表達(dá)式相同， 經(jīng)過(guò)低通濾波器后SPWME時(shí)域內(nèi)又可變?yōu)檎倚盘?hào)。這是離散數(shù)字信號(hào)控制正 弦信號(hào)的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。相應(yīng)圖形將在后續(xù)章節(jié)有說(shuō)明。2.鎖相環(huán)技術(shù)鎖相環(huán)技術(shù)是DSPS制中的關(guān)鍵，當(dāng)電網(wǎng)電壓信號(hào)經(jīng)電壓互感器變成較

17、小電壓時(shí)通過(guò)過(guò)零采集器，將電壓正弦信號(hào)濾掉負(fù)半周期信號(hào)，同時(shí)正半周期變?yōu)殚T(mén) 信號(hào)。其相應(yīng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1-2。圖1.2矩形波信號(hào)將進(jìn)入DSP的CAP引腳中，CAP引腳為計(jì)時(shí)器引腳，當(dāng)矩形波處 于上升沿時(shí)將激發(fā)CAP引腳產(chǎn)生高電平信號(hào)，內(nèi)部計(jì)數(shù)器將進(jìn)行技術(shù)，相隔兩個(gè) 上升沿便是一個(gè)周期，通過(guò)對(duì)比信號(hào)，可以對(duì)比兩個(gè)信號(hào)的間隔時(shí)間比較確定頻 率的誤差從而進(jìn)行糾正。而計(jì)時(shí)器對(duì)相同計(jì)算次數(shù)的時(shí)間差極為相位差，圖 1-3 給出了相應(yīng)的示意圖?？梢栽O(shè)參考電壓周期為 T,計(jì)數(shù)器兩次計(jì)數(shù)之差為單位1 時(shí)間即為時(shí)間而采樣信號(hào)與參考信號(hào)在同等計(jì)數(shù)數(shù)值時(shí)，相差的時(shí)間記為t, 可根據(jù)圖1-3得出：(1.1)其中 為采樣信號(hào)與

18、電網(wǎng)信號(hào)的相角差。圖1.31.4雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)和T型濾波結(jié)構(gòu)采用雙閉環(huán)反饋系統(tǒng)是由電網(wǎng)參數(shù)所決定的， 電壓反饋必須要精確而且零誤 差，這些特性正是PI控制策略所具有的。而電流反饋不一定要求準(zhǔn)確，但是要 求快速，因?yàn)殡娋W(wǎng)電流是快速變化的，所以要求控制具有快速相應(yīng)，選才P控制 策略即可。這一部分詳見(jiàn)。濾波器是逆變電源系統(tǒng)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。 燃料電池分布式電源系統(tǒng)通常采用 PWM制的高頻開(kāi)關(guān)逆變方式，濾波器的主要目的在于抑制高頻開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的電壓 和電流紋波。至于為什么選擇LCLL8波電路而沒(méi)有選擇LQ8波電路，查閱相應(yīng)資 料得到圖1.4o o o o O 11 3 5 7 - _ _ 一一LCL濾波器一

19、- L型滋波器一 12 燃料電池工作原理及模型介紹燃料電池發(fā)電能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)保障。人類為了更有效地利用能源一直在進(jìn)行著不懈的努力。 歷史上利用能源的方式有過(guò)多次 革命性的變革，從原始的蒸汽機(jī)到汽輪機(jī)、高壓汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)，每一次能源利用方式的變革都極大地推進(jìn)了現(xiàn)代文明的發(fā)展。隨著現(xiàn)代文明的發(fā)展， 人們逐漸意識(shí)到傳統(tǒng)的能源利用方式有兩大弊病。 一 是儲(chǔ)存于燃料中的化學(xué)能必須首先轉(zhuǎn)變成熱能后才能被轉(zhuǎn)變成機(jī)械能或電能， 受 卡諾循環(huán)及現(xiàn)代材料的限制，在機(jī)端所獲得的效率只有3335% 一半以上的能量白白地?fù)p失掉了； 二是傳統(tǒng)的能源利用方式給今天人類的生活環(huán)

20、境造成了巨量 的廢水、廢氣、廢渣、廢熱和噪聲的污染。對(duì)于發(fā)電行業(yè)來(lái)說(shuō)，雖然擦用的技術(shù) 在不斷地升級(jí)，如開(kāi)發(fā)了超高壓、超臨界、超超臨界機(jī)組，開(kāi)發(fā)出了流化床燃燒 和整體氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電技術(shù)， 但這種努力的結(jié)果是： 機(jī)組規(guī)模巨大、 超高壓遠(yuǎn) 距離輸電、投資上升，到用戶的綜合能源利用效率仍然只有35%左右，大規(guī)模的污染仍然沒(méi)有得到根本解決。近年來(lái)，能源緊缺、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益嚴(yán)重，可再生清潔能源的利用、能源多元化以及先進(jìn)高效的能源利用技術(shù)已經(jīng)成為人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的必然要求， 因而對(duì)于太陽(yáng)能、 風(fēng)能以及氫能等開(kāi)發(fā)利用已日漸加快， 新型分布式發(fā)電技術(shù)也越來(lái)越受到人們的重視。 其中， 燃料電池發(fā)電尤其成

21、為當(dāng)今研究開(kāi)發(fā)的熱 點(diǎn)之一。燃料電池是將化學(xué)反應(yīng)中產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的電化學(xué)裝置， 具有 燃料利用效率高、功率密度大、環(huán)保無(wú)污染、容量可根據(jù)需要而定等多種優(yōu)點(diǎn)，可以作為并網(wǎng)發(fā)電裝置與后備電源應(yīng)用。 特別在分布式發(fā)電系統(tǒng)中， 燃料電池與太陽(yáng)能、 風(fēng)能、 水能等可再生能源相比由于不受地域等因素的限制， 更適合應(yīng)用于各種不同的場(chǎng)合和保證關(guān)鍵負(fù)荷的運(yùn)行， 因此燃料電池并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)具有廣泛 的應(yīng)用前景。大型電站火力發(fā)電機(jī)組的規(guī)模足夠大才能獲得令人滿意的效率， 但裝有巨型機(jī)組的發(fā)電廠又受各種條件的限制不能貼近用戶， 因此只有集中發(fā)電由電網(wǎng)輸送給用戶。 但是機(jī)組大了其發(fā)電的靈活性又不能適應(yīng)用戶的需要

22、， 電網(wǎng)隨著用戶的用電負(fù)荷變化有時(shí)呈現(xiàn)為高峰， 有時(shí)則呈現(xiàn)為波谷。 為了適應(yīng)用電負(fù)荷的變化只好備用一部分機(jī)組或修建抽水蓄能電站來(lái)應(yīng)急， 這在總體上都是以犧牲電網(wǎng)的效益為代價(jià)的。傳統(tǒng)的火力發(fā)電站的燃燒能量大約有近70%被浪費(fèi)，燃燒時(shí)還會(huì)排放大量的有害物質(zhì)。而使用燃料電池發(fā)電，是將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為電能，發(fā)電效率可達(dá)40%-60%如果應(yīng)用于企業(yè)、飯店、賓館、家庭，采用熱點(diǎn)聯(lián)產(chǎn)聯(lián)用，輸熱和輸電損失極小，綜合能源效率可達(dá)80%以上。燃料電池被成為是繼水力、 火力、 核能之后第四代發(fā)電裝置和替代內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力裝置。國(guó)際能源界預(yù)測(cè)，燃料電池是21 世紀(jì)最有吸引力的發(fā)電方法之一。我國(guó)人均能源資源貧乏， 在

23、目前電網(wǎng)由主要缺少電量轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕鄙傧到y(tǒng)備用容量、 調(diào)峰能力、 電網(wǎng)建設(shè)滯后和傳統(tǒng)的發(fā)電方式污染嚴(yán)重的情況下， 研究和開(kāi)發(fā)燃料電池發(fā)電具有重要意義， 這種發(fā)電方式與傳統(tǒng)的大型機(jī)組、 大電網(wǎng)相結(jié)合給我國(guó)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。燃料電池產(chǎn)生不穩(wěn)定的直流電，必須配備功率變換器（PCU） ，來(lái)調(diào)節(jié)、控制和管理電源輸出， 以得到符合要求的交流電能。 為滿足燃料電池發(fā)電應(yīng)用的要求，針對(duì)燃料電池發(fā)電的電力電子變換裝置與技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)已成為一項(xiàng)重要的課題。 這正是當(dāng)前各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)， 也是我國(guó)國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)電技術(shù)中最薄弱的環(huán)節(jié)之一。逆變是燃料電池并網(wǎng)發(fā)電的重要環(huán)節(jié)， 直接關(guān)系到電源系統(tǒng)的電能質(zhì)量、 安全和可

24、靠性。 盡管燃料電池并網(wǎng)逆變與太陽(yáng)能、 風(fēng)能并網(wǎng)逆變類似， 迄今也已取得不少研究成果， 但仍有不少問(wèn)題需進(jìn)一步研究解決， 特別是燃料電池的特點(diǎn)使其具有更高的應(yīng)用環(huán)境適應(yīng)性和并網(wǎng)與獨(dú)立運(yùn)行要求。 因而對(duì)燃料電池逆變的有效控制十分必要。本文將針對(duì)燃料電池在分布式電源系統(tǒng)額應(yīng)用要求， 著重于探討基于數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的燃料電池逆變控制器的設(shè)計(jì)過(guò)程。燃料電池原理與分類燃料電池是將化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿碾娀瘜W(xué)裝置。它通過(guò)氫氣和氧氣結(jié)合的電化學(xué)反應(yīng)生成電能和熱能。 燃料電池的基本單元由電解質(zhì)以及鏈接到電解質(zhì)兩側(cè)的多孔滲水陰極和陽(yáng)極組成。 圖 2-1 所示為燃料電池的基本原理以及反

25、應(yīng)物流向。在典型的燃料電池中，氣態(tài)氫燃料連續(xù)不斷地向陽(yáng)極室（負(fù)電極） ，而氧氣 則連續(xù)地流向陰極室（正電極）。在電極表面催化物的作用下發(fā)生反應(yīng)，陽(yáng)極氫 分離出帶電的質(zhì)子通過(guò)電解質(zhì)從一個(gè)電極轉(zhuǎn)移到另一極，而電子則通過(guò)外電路實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)移，從而形成電流。在陰極質(zhì)子氫與氧結(jié)合，生成水和熱，排出燃料電池。 理論上只要不斷地施加燃料與氧氣，可以連續(xù)不斷地輸出電能。除采用氫氣作為燃料外，燃料電池還可以用天然氣、甲醇、汽油等其他碳?xì)?化合物作燃料。由于電解質(zhì)的不同，燃料電池有多種不同的類型。按電解質(zhì)不同 主要可以分為五種類型：1.質(zhì)子交換膜（PEMEC; 2.堿性燃料電池（AFC ; 3. 磷酸燃料電池（PAFC

26、； 4.熔鹽燃料電池（MCFC； 5.固體氧化物燃料電池（SOFC 等。表2.1所列五種主要類型的燃料電池及其相應(yīng)的反應(yīng)條件和特性。美笈AFC硬性熟料 電池PEMPC質(zhì)子交換膜燃料電池PAFC硝酸燃料電池MCFC期融宙燃料電 %sore固體氧化物燃料電池工作溫度60J20160-220600-1000特性無(wú)污染排 放；效率 工制地成本高污染棒放 小F味陽(yáng)底 采用固體電 介質(zhì)；濘染撐放?。?味音低；岬用 苒連續(xù)運(yùn)行效率F%熱利用方便二味 音愜:無(wú)需外部 氣體配置；腐地性電解液熱利用方便.噪 音低;無(wú)需外部 氣體配混】需潼 慢電解灌：電斛質(zhì) .筮氧化鉀 溶液質(zhì)子可痔進(jìn) 膜磷酸理和決陵陽(yáng)固體陶瓷體懈

27、料螭氫.甲薛大然氣等天然氣蝗 大感氣、那T 沼氣等火然氣、燃?xì)?、沼氣等電效率TM-90K43一將蓊-42%50%曲 1表2.1最基本的燃料電池結(jié)構(gòu)成為電池單元(Cell ),電池單元的電壓在理想條件 下由燃料的電化學(xué)動(dòng)力特性決定。在標(biāo)準(zhǔn)溫度下和壓力條件下，由氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的理論電壓為E o當(dāng)反應(yīng)生成物為液態(tài)水時(shí)，E =2.29V;當(dāng)反應(yīng)生成物 為氣態(tài)水時(shí)，E =1.18V。電池實(shí)際電壓受到溫度、氣壓等因素的影響，可以由 能斯脫方程(Nernst Equation )給出，(2. 1 )Ph 2為氫氣壓強(qiáng)，Ph 2o為通過(guò)多個(gè)單元的串聯(lián)與并0 RT , FH2 RT , E E In In

28、. FO2FPH20 2F - 2其中，R為氣體常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，F(xiàn)為法拉第常數(shù), 液態(tài)或汽態(tài)水的壓強(qiáng)，而Po2則為氧氣的壓強(qiáng)。電池單元輸出電流大小則有電流密度和面積決定。聯(lián)，構(gòu)成燃料電池電堆，得到滿足負(fù)載要求的足夠的電壓和電流。燃料電池應(yīng)用系統(tǒng)除了電堆外，還必須配備燃料與空氣處理、溫度和壓力的 調(diào)節(jié)、水與熱的管理以及功率變換等多個(gè)處理子系統(tǒng)。這些子系統(tǒng)工作時(shí)密切相 關(guān)的。燃料電池電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行性能也依賴于各個(gè)子系統(tǒng)，具運(yùn)行成本、 效率等常常是各環(huán)節(jié)折衷與整體優(yōu)化的結(jié)果。燃料電池發(fā)電燃料電池的輸出特性與蓄電池有一些類似，但有本質(zhì)的區(qū)別。與蓄電池類似， 燃料電池單元輸出為直流電，有確定的

29、正極和負(fù)極。通過(guò)多個(gè)單元的串聯(lián)與并聯(lián) 可以使電壓或電流線性化疊加。但燃料電池發(fā)電裝置只能以正向電流輸出能量， 不能電流反向輸入電能，這是與蓄電池完全不同的。燃料電池特性受到溫度、氣壓、電池結(jié)構(gòu)材料、燃料純度以及負(fù)載等因素的 影響。燃料電池靜態(tài)輸出特性圖2.2顯示燃料電池在標(biāo)準(zhǔn)條件下給以固定的燃料流量時(shí)， 典型的燃料電池 電流密度與輸出電壓的關(guān)系。這是在穩(wěn)定的輸出電流電壓下的靜態(tài)特性。 從圖上 可以看到，隨著電流密度的增加，燃料電池輸出電壓有明顯的下降， 燃料電池電 壓特性可明顯地分為三個(gè)不同特性的區(qū)域：活化區(qū)、歐姆極化區(qū)和密集極化區(qū)。其中，活化區(qū)是燃料電池在產(chǎn)生電流前使反應(yīng)物激活所付出的電壓損

30、失，其電壓損失隨著電流密度的增加而指數(shù)增大，但其主要是在電流密度較小的階段表現(xiàn)突 出，當(dāng)電流較大時(shí)活化電壓損失相對(duì)地不再明顯； 歐姆極化區(qū)是電流流經(jīng)燃料電 池電解質(zhì)和電極材料時(shí)的內(nèi)阻電壓損失， 符合歐姆定律，隨著電流密度的增加電 池端電壓呈現(xiàn)近似線性下降的規(guī)律；密集極化區(qū)是當(dāng)電流密度的增加達(dá)到某種程 度時(shí)，反應(yīng)物進(jìn)出電極表面參與反應(yīng)的流量受限因而造成電壓快速下降。通常燃料電池正常工作時(shí)處于歐姆極化區(qū)內(nèi)，電壓隨負(fù)載變化較大。麒柳一la化 E 一O 5 L0.)日整型駐總損耗!歐的城化區(qū)0 0Q,20.4060.81.0電流密度（A/crj，）燃料電池動(dòng)態(tài)輸出特性燃料電池的動(dòng)態(tài)特性主要表現(xiàn)在功率輸

31、出響應(yīng)慢， 前述燃料電池的靜態(tài)特性是在固定的燃料壓力與流量條件下的電壓電流特性。 實(shí)際應(yīng)用中， 負(fù)載的持續(xù)和變化將對(duì)前述條件產(chǎn)生影響， 控制系統(tǒng)需根據(jù)運(yùn)行狀況做相應(yīng)的調(diào)節(jié)。 當(dāng)負(fù)載條件變化時(shí)，如負(fù)載電流突然加大，燃料電池系統(tǒng)需對(duì)燃料流量、壓力作調(diào)節(jié)，而這一調(diào)節(jié)過(guò)程往往具有較大的時(shí)間常數(shù)， 才能適應(yīng)負(fù)載要求。 如果僅有燃料電池來(lái)供電， 負(fù)載突變還易引起燃料電池壽命下降。 因此電源系統(tǒng)需配備能量緩沖環(huán)節(jié)，如蓄電池等。燃料電池優(yōu)點(diǎn)與其它發(fā)電方式相比，燃料電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：轉(zhuǎn)換效率高。燃料電池的能量轉(zhuǎn)換效率比熱機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率高很多。目前汽輪機(jī)或柴油發(fā)電機(jī)的效率僅為30-40%,而PEMFC?燃料電池的

32、發(fā)電能效可達(dá)到 43-58%，如采用熱點(diǎn)聯(lián)合方式，整體效率可達(dá)到80%。污染小、 噪音低。 燃料電池作為發(fā)電裝置使用時(shí)， 其突出優(yōu)點(diǎn)是污染排放低。對(duì)于氫燃料電池，其發(fā)電生成物只有水，可實(shí)現(xiàn)零污染。此外，燃料電池發(fā)電無(wú)傳統(tǒng)熱機(jī)引擎等機(jī)械傳動(dòng)部分，故運(yùn)行環(huán)境無(wú)噪聲污染。模塊化、可靠性高。燃料電池發(fā)電裝置可以根據(jù)用戶需要靈活配置輸出電壓和功率容量，具有很好的積木化特性，采用模塊化結(jié)構(gòu)可方便組裝和維修。與燃燒渦輪機(jī)循環(huán)系統(tǒng)或內(nèi)燃機(jī)相比，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)其轉(zhuǎn)動(dòng)部件很少，因而系統(tǒng)更加安全可靠。功率密度高、可移動(dòng)性好。燃料電池發(fā)電的功率密度較高，發(fā)電裝置可根據(jù)需要靈活配置，體積小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，適合城市集中

33、用電區(qū)域，并易于實(shí)現(xiàn)便攜、移動(dòng)。適應(yīng)能力強(qiáng)。燃料電池可以使用多種多樣的燃料，如天然氣、煤氣、甲醇、 乙醇、汽油以及其它傳統(tǒng)發(fā)電不易使用的低質(zhì)燃料，適用能力較強(qiáng)。3燃料電池主變換器DC-DC設(shè)計(jì)變換器設(shè)計(jì)參數(shù)與要求為了使燃料電池在特殊條件下也能正常運(yùn)行，對(duì)所選擇的變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和 性能指標(biāo)做如下要求：.根據(jù)所給的參量來(lái)控制；.向電網(wǎng)傳輸?shù)碾娏鲬?yīng)具備高功率因數(shù)和低諧波失真；.在整個(gè)工作范圍內(nèi)高效運(yùn)行；.燃料電池提供的電流所含的高頻波紋應(yīng)保持在較低范圍內(nèi)；.符合最經(jīng)濟(jì)原則；基于本課題的任務(wù)，研究5kw燃料電池的并網(wǎng)逆變控制器，由于燃料電池正 常工作的電壓范圍在25V-45V,必須將其電壓轉(zhuǎn)換成110

34、V或220V左右以達(dá)到直流轉(zhuǎn)換交流并向電網(wǎng)供電的條件。同時(shí)盡量使輸出電壓THD不大于3%由第一章的相關(guān)結(jié)論可以得到燃料電池系統(tǒng)模型和在整體系統(tǒng)中的位置為圖3-1所示:圖3.1由上圖可以看到輸入變量 VFC隨著電流增加而降低。在本文中，我們規(guī)定燃 料電池在電壓25V時(shí)的峰值功率為5KW空載電壓為45V。我們假定該燃料電池 系統(tǒng)在始終在峰值功率條件下工作，可以得到變換器模型選擇由課題研究可以發(fā)現(xiàn)，燃料電池逆變器應(yīng)在燃料電池終端和電網(wǎng)終端加入電隔離，因?yàn)槿剂想姵氐恼９ぷ麟妷悍秶?25到45V直流電壓，而電網(wǎng)的電壓 有效值為230V交流電壓。因此逆變器起著兩方面的作用：電流逆變和電壓的放 大。給出下圖給出了兩種連接模式。為了節(jié)省占地面積和降低系統(tǒng)損耗， 通常會(huì) 選擇第二種模式。因?yàn)橹绷髯儔浩饕呀?jīng)被取代及逆變系統(tǒng)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，與電網(wǎng)連 接的逆變器能夠使GPI系統(tǒng)（可再生能源逆變系統(tǒng)的總稱）更加模塊化。國(guó).顯示電壓在KTC環(huán)節(jié)埴溢，圖b顯示電壓在DC-DC環(huán)節(jié)增益圖3.2直流變壓器下圖所示可以是電流式變換器或者電壓式變換器。在直流變壓器中，因?yàn)殡姼性O(shè)置在輸入端