燃料电池发电系统中功率变换器的研究

摘要

在能源短缺及环境污染日益加剧的形势下，寻求绿色可再生能源变得越来越重要。燃料电池发电技术因其燃料来源较广、清洁无污染、利用率高、不受环境影响等优点，受到了国内外专家学者的广泛关注，尤其是能量传输过程中高增益DC-DC变换器和并网逆变器技术。为满足输出电压数值等级较低且波动范围较宽的高功率燃料电池发电系统的要求，前级直流变换器须具有较高的电压增益比及较高的输入电流能力，同时为后级逆变器提供稳定的直流电压；后级逆变器可分为单相逆变器和三相桥式逆变器，其控制策略通常采用恒压恒频(V/F)控制、恒功率(P/Q)控制、下垂控制等，但是上述控制策略均存在一定的使用限制条件，且控制精度低等问题。基于此，本文重点研究了前级高增益DC/DC变换器拓扑结构、控制策略以及后级逆变器控制策略。主要内容如下：
　　(1)研究了一种基于均压控制和平均电流控制的组合型高增益直流变换器，该变换器具有较高的电压增益、合适的占空比、较快的PWM调制响应、纹波小、开关管电压与电流应力小等优点。详细分析了该变换器主电路拓扑结构的工作原理、稳态性能，另外对其进行了小信号建模与分析，为控制回路的设计及参数的选择提供了一定的理论依据，并通过仿真及实验验证了高增益DC-DC变换器拓扑结构及控制策略的可行性。
　　(2)研究了一种基于虚拟同步发电机算法的微源逆变器控制策略，首先把虚拟同步发电机发电算法作为该控制策略的外环，分别设计了虚拟同步发电机本体算法、虚拟原动机调节模块及虚拟励磁电流调节模块，同时，将电压电流双环控制作为该控制策略的内环，不仅使逆变器的输出电压幅值及频率分别与无功功率及有功功率之间呈现良好的下垂特性，而且能够较快的跟踪负荷变化，进而提高了整个系统的稳定性和可靠性。此外，本文对虚拟原动机调节模块进行了改进，实现了频率的实时无差控制，提高了频率控制的精度和响应速度。理论分析和仿真结果表明，所研究的逆变器控制策略不仅适用于单台逆变器运行，同样适于并联逆变器的可靠运行。
　　(3)建立了前级直流变换器和后级逆变器组成的级联式燃料电池发电系统结构，采用两级结构独立控制，实现了燃料电池化学能转换为负载或大电网所需的交流电能。最后搭建了仿真模型，验证了理论分析的正确性与可行性。