基于PEMFC發(fā)電機的DC-DC變換器的建模與仿真

付尚琛,徐 曄,陳向鋒,王 巍

(解放軍理工大學工程兵工程學院,南京 210007)

以質子交換膜燃料電池(PEM FC)為主體的氫能發(fā)電機具有無污染、高效率、無噪聲、熱輻射小和模塊化的特點,具有十分廣闊的應用前景。由于PEMFC發(fā)電機發(fā)出的是一種電特性獨特的直流電,它的負載輸出特性與目前絕大多數(shù)用電負荷的用電特性不一致,不僅動態(tài)情況下輸出電壓變化劇烈,靜態(tài)情況下的負載電壓與空載電壓之間也存在很大的差異,因此,在PEMFC發(fā)電機與用電設備之間通常需要進行電能變換,通過一個前級DC/DC變換器來將其輸出電壓提升并穩(wěn)定在所需要的電壓水平。

1 PEMFC氫能發(fā)電機DC/DC變換器的主電路及參數(shù)選擇

根據(jù)已經研制的5 kW PEMFC發(fā)電機的工作及其電氣特性要求所得到DC/DC變換器的技術指標,輸入電壓為直流50～90 V,開關頻率為20 kHz,輸出電壓為直流380 V,最大輸出功率為5 kW。由于本文所研究的DC/DC變換器屬于功率較大的變換器,而且高頻變壓器次級和初級側的電壓比達到9.6∶1,又要求變壓器的制作應盡可能簡單,為滿足上述要求,本文將采用移相全橋式ZVS-PWM功率變換技術,這種技術開關損耗小、效率高,對于上述要求具有較好的適應性,其中移相控制全橋ZVS-PWM DC/DC變換器電路,結構如圖1所示。

圖1 全橋移相控制ZVS-PWM DC/DC變換器主電路

DC/DC變換器的功率開關選擇仙童公司的FGA 180N 30D,輸出整流管選擇西門康公司的整流橋SKB25/12(16),輸入側穩(wěn)圧濾波超級電容由5個電容值為1.25μF的雙電層電容器并聯(lián)得到,隔直電容用4個220μF的無感電容并聯(lián)得到。高頻變壓器的原副邊匝數(shù)分別為5和48。

(1)輸出濾波電感的選擇[1-2]輸出濾波電感一般都要求電感電流的最大脈動量為最大輸出電流的10%～20%:

其中DC/DC變換器輸出電壓U out為380 V,最大占空比Dmax為0.9,開關周期Ts為50μs,最大電流I omax為14.7 A,計算可得L f=0.63 mH。

(2)輸出濾波電容的選擇 輸出濾波電容的最小值可由下式得出[3]:

根據(jù)所設計的DC/DC變換器的性能要求,選擇一個合適的輸出電壓脈動峰峰值ΔU o,就可以計算出所需的電容量。本文中ΔU o取1 V,得到輸出濾波電容的最小值為22μF。由于LC濾波器對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有很大的影響,而且一個小的電感L和大的電容C將會使輸出濾波器有一個低的浪涌阻抗,當負載階躍變化時,變換器有一個理想的瞬間特性,故實際采用的電容為2200μF。

(3)諧振電感的選擇 為實現(xiàn)滯后橋臂的零電壓開關,必須滿足下式:

式中:Lr是諧振電感,I是滯后橋臂開關管關斷時原邊電流的大小,Cds是開關管漏源極電容,Uin是母線直流電壓。

由上式可知,要使得輕載時滯后橋臂實現(xiàn)零電壓開關,諧振電感值盡可能大,但諧振電感過大又可能導致副邊占空比丟失嚴重,因此諧振電感的取值應折中考慮這兩方面的要求。本文中I為87.36 A,C d s取3420 pF,U in取最大值90 V,則可得諧振電感Lr不小于10 nH,結合高頻變壓器漏感最后取0.9μH。

2 DC/DC變換器的建模

Buck型 PWM 變換器的連續(xù)導通模式(CCM)下的小信號等效電路模型如圖2所示。

圖2 Buck型PWM變換器小信號等效電路模型

Buck變換器的控制-輸出傳遞函數(shù):

該移相全橋變換器與Buck變換器的不同之處在于移相全橋變換器的占空比為有效占空比Deff,記該變換器的原副邊匝數(shù)比為1∶N,則移相全橋變換器的電壓增益可表示為:

有效占空比:

由上式可見,D,I L,U in稍有一些擾動,相應的有效占空比D eff也會發(fā)生擾動。這樣,三個不同的擾動量,和,將使有效占空比D eff產生相應的三種擾動,和;這與Buck變換器中占空比只有一種擾動量是完全不同的。以下分別推導D eff的這三種擾動量的表達式:

取Deff對Uo的擾動記為d^V,可得:

從而得到移相全橋變換器的小信號等效電路模型如圖3所示。

圖3 移相全橋變換器的小信號等效電路模型

由等效電路可得移相全橋變換器的控制-輸出傳遞函數(shù):

式中:RP=4N2Lrf

當實際參數(shù)取:U in=50～90 V,N=9.6,L f =0.63 mH,C f=2200μF,U o=380 V,R=U2o/ P o=28.88Ω,f=20 kH z,R p=4N2L r f=6.64 Ω時,可以得到:

為了驗證所設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性,利用M ATLAB畫出電壓外環(huán)傳遞函數(shù)的開環(huán)Bode圖和單位階躍響應,如圖4所示。

圖4 移相全橋變換器電壓外環(huán)傳遞函數(shù)開環(huán)Bode圖和單位階躍響應圖

從圖中可以看出,相角裕度接近33°,幅值裕度大約為70 dB,在單位階躍響應中,系統(tǒng)經過大約0.06 s進入穩(wěn)定狀態(tài),這說明所設計的系統(tǒng)具有很好的穩(wěn)定性。

3 仿真及結果分析

利用MATLAB的Simulink平臺對所建模型進行仿真,仿真電路如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)仿真電路圖

仿真電路參數(shù)設置如下:輸入電壓源為RL模型[4];高頻逆變橋采用4個IGBT/Diodes搭接而成,IGBT功率開關管參數(shù)按FGA 180N30D的參數(shù)設置,漏源級間電容為3420 pF;單相高頻變壓器,容量5 kVA,頻率20 kH z,變比為5/48;高頻整流橋采用Diodes結構,并采用默認參數(shù);隔直電容Cb=930μF,諧振電感L3=0.9μH,濾波電感L f=630μH,濾波電容C f=2200μF;中間直流參考值380 V;電壓外環(huán)PI調節(jié)器比例系數(shù)10,積分系數(shù)0.005,輸出限值-100到100;電流內環(huán) PI調節(jié)器比例系數(shù)為 100,積分系數(shù)為0.0005,輸出限值-25×10-6到25×10-6;采樣時間2μs。

滿載情況下系統(tǒng)的仿真波形如圖6,這是一種超前橋臂和滯后橋臂的軟開關波形,圖中波峰高的波形為開關管兩端的電壓波形,波峰低的為開關管的驅動電壓波形。從圖中可以看出,當驅動電壓加在開關管上時,開關管兩端的電壓下降到零,這說明系統(tǒng)實現(xiàn)了ZVS軟開關。

圖6 ZVS軟開關

圖7為系統(tǒng)突加負載和突減負載時的輸出電壓波形。

圖7 負載突變時的輸出電壓波形

從圖中可以看出,輸出電壓在系統(tǒng)開機后經過兩個周期的調整逐步趨于穩(wěn)定,突加負載時電壓略有跌落,突減負載時電壓突升,但電壓跌落和突升小于1.4 V,這說明所設計的DC/DC變換器能很好地改善PEMFC的動態(tài)輸出特性。

4 結論

PEMFC發(fā)電機的前級DC/DC變換器至關重要,負責系統(tǒng)的功率傳輸,其性能的優(yōu)劣直接影響到整個系統(tǒng)的性能。

本文以5 kW PEMFC發(fā)電機為例,建立了其前級DC/DC變換器主電路的小信號模型,通過該模型傳遞函數(shù)分析了所設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性,并用MATLAB對所建模型進行了仿真,得到了其超前和滯后橋臂的軟開關波形以及突然加減負載時輸出電壓波形的變化波形,通過對波形分析,可得所建模型是合理的。

[1] 楊旭,裴云慶,王兆安.開關電源技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.

[2] 吳勇軍.基于電流型控制的低壓大電流開關電源的研制[D].第二炮兵學院碩士論文,2001.

[3] 徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機械工業(yè)出版社,2005.11.

[4] 劉德勇,趙曉明,徐曄.PEMFC發(fā)電機電氣模型及仿真研究[J].電氣技術,2009(1):49-52.