kW级固体氧化物燃料电池功率变换及能量管理

摘要

随着环境污染和能源危机的日益严重，人们加快了对清洁高效新能源的研究。固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,SOFC)具有高效、环保、能量密度大等优点，有广阔的应用前景和重要的研究意义。功率变换器作为固体氧化物燃料电池电管理单元的重要组成部分，直接影响系统的效率和电堆的工作寿命。因此，结合SOFC输出特性和负载功率变化特性，研制高效且具有负载跟踪功能的功率变换器有着重要意义。
　　本文首先介绍了固体氧化物燃料电池发电基本原理和输出电能特性，结合SOFC输出特性，功率变换器采用隔离的两极变换。SOFC电堆输出不稳定的低电压首先通过高频隔离的DC/DC变换器稳定在311V以上，然后通过DC/AC逆变器将直流电逆变为民用电。
　　通过分析对比几种常用燃料电池的前级DC/DC升压电路拓扑结构，选定推挽拓扑结构，对这种拓扑的工作过程和具体实现方法进行了详细论述。DC/AC逆变器采用全桥拓扑，驱动信号采用单极倍频SPWM调制，减小了滤波元件的体积；控制电路采用纯硬件芯片TDS1093实现，避免了繁琐的编程，同时简化了外围电路。文章详细论述了功率变换器的设计步骤、电路参数以及元器件的选择，完成了1kW功率变换器样机的研制，效率最高可达91％，验证了设计的可行性。
　　针对固体氧化物燃料电池系统大迟滞，难以实时跟踪突变负载的问题，设计了SOFC和蓄电池联合供电系统，包括蓄电池的接入方式、能量管理方案的制定、系统的建模以及控制器的设计，并在Matlab/simulink环境下通过仿真试验对设计进行了验证。

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1 绪论

1.1 研究背景

1.2 固体氧化物燃料电池

1.3 国内外研究现状

1.4 本文创新性

1.5 论文结构和主要内容

2 前级DC/DC变换器设计

2.1 功率变换器总体结构

2.2 DC/DC变换器设计要求

2.3 常用的DC/DC变换拓扑

2.4 DC/DC变换器拓扑结构设计

2.5 DC/DC变换器电路参数设计

2.6 本章小结

3 DC/AC逆变器设计

3.1 拓扑结构选择

3.2 控制方法

3.3 滤波器设计

3.4 功率管和驱动电路设计

3.5 控制电路设计

3.6 本章小结

4 实验结果分析

4.1 前级DC/DC变换器实验波形

4.2 后级DC/AC逆变器实验波形

4.3 效率测试

4.4 本章小结

5 能量管理研究

5.1 辅助储能电源设计

5.2 能量管理控制方法

5.3 能量管理仿真

5.4 能量管理优先级设计

5.5 本章小结

6 总结与展望

6.1 课题总结

6.2 课题展望

致谢

参考文献

附录：攻读硕士期间申请专利目录