固體氧化物燃料電池發電系統逆變器研究

魏立明，呂雪瑩

(吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春130118)

固體氧化物燃料電池發電系統逆變器研究

魏立明，呂雪瑩

(吉林建筑大學電氣與計算機學院，吉林長春130118)

將燃料電池電堆輸出的40 V直流低壓電首先經過前級DC/DC變換器升壓為400 V的高壓直流電，后經全橋逆變器轉換為220 V/50 Hz的交流電，分別對DC/DC變換器和全橋逆變器進行仿真分析，為燃料電池的應用研究提供了理論參考及借鑒。

燃料電池；隔離型全橋變換器；DC/AC逆變器；濾波器；Matlab仿真

燃料電池發電系統的發展已經成為解決全球環境問題的重要途徑之一，其不間斷的特點具有平衡發電機和負載需要的儲存能力[1]。燃料電池是可再生的新能源，有著廣泛的應用前景。本文是對獨立工作時1 kW SOFC發電系統進行仿真分析，單體SOFC的輸出電壓為0.8 V[2]，把多個單體燃料電池串/并連在一起組成燃料電池電堆，大部分制造商選擇標準的28～43 V作為電堆的輸出電壓，適當減少燃料電池的數量來實現更好的功能，減輕對后級逆變器的要求[3]。考慮到燃料電池低電壓的特性，需要將燃料電池電堆輸出的低壓直流電(變換器的輸入電壓)進行升壓，然后在經過逆變器逆變成交流電，后經濾波器濾除高頻電壓，最后輸出穩定的正弦交流電供負載使用。

1 DC/DC變換器的設計

根據SOFC發電系統特點，并網/獨立逆變系統的前級DC/DC變換器應該具有如下幾個作用：

(1)提高輸入電壓

固體氧化物電堆輸出電壓期望值在40 V，當負荷功率變化時，輸出電壓的波動范圍在28～43 V[4]，低于負載的用電電壓，所以在SOFC發電系統從輸出到負載的過程中必須先經DC/DC變換器進行升壓。

(2)輸入電壓波動大

固體氧化物燃料電池電堆的輸出電壓產生波動時，前級DC/DC變換器應當提供穩定的輸出電壓供給后級DC/AC正常工作的輸入電壓，當負載突變時發電系統也可正常運行。

(3)轉換效率高

逆變器影響著整個發電過程中產生的成本費用和工作效率，本文中，對逆變器的轉換效率要求高于85%，因此，前級DC/DC變換器的工作效率也應當提高。

(4)抑制輸入電壓低頻波

固體氧化物燃料電池電壓波動大，與此同時電流波紋在內阻上產生紋波電壓和附加損耗。在DC/DC變換器的設計中，應當采取相應的方法進行抑制低頻紋波。

通過以上的分析，本文固體氧化物燃料電池發電系統前級DC/DC變換器采用隔離型全橋DC/DC變換電路。該變換器可以應用在較寬范圍的輸入電壓，在中、高輸入電壓，中大功率輸入中占有明顯優勢[5-6]。隔離型升壓全橋變換器由輸入電源Ui，電感L，全橋逆變電路Q1～Q4，隔離升壓變壓器的升壓比nT，全橋整流電路D1～D4，濾波電容CO，負載RL構成。調節4個功率開關管Q1、Q2、Q3和Q4的關斷和導通，在變壓器原邊得到交流方波電壓，后經隔離變壓器進行升壓后，變壓器副邊得到一個nT倍幅值的交流電壓。隔離型升壓全橋變換器的結構如圖1所示。

圖1 隔離升壓全橋變換器原理圖

2 DC/AC逆變器的設計

前級隔離型全橋DC/DC變換器將SOFC的低壓大電流、不穩定的直流電壓進行升壓，后級采用單相全橋逆變器將前級輸出的穩定直流電逆變為交流電為負載供電，其直流側的電壓利用率高于半橋式逆變器，可以采用低開關頻率，對輸出端濾波器的規模、費用有益。全橋逆變電路的拓撲結構如圖2所示。固體氧化物燃料電池發電系統獨立運行時，其逆變環節采用PWM反饋控制，電壓作為反饋信號與參考的正弦波參考電壓做比較，誤差經過PI調節器調節后，得到穩定220 V交流電[7]。全控型開關器件S1、S4和S3、S2分別采用統一的開關信號，S1(S4)和S3(S2)驅動信號相位相差180°，當S1、S4工作時，S3、S2停止，當S1、S4停止時，S3、S2開始工作。四個開關管按照一定的規律進行開、斷。T為2 p、輸出電壓VAB的頻率f=1/T、ω=2 pf。當0≤ωt

VAB基波幅值為：

n次諧波幅值為：

圖2 全橋逆變電路拓撲結構圖

3 濾波器的設計

單相全橋逆變器電路的輸出波形并非是標準正弦，所以要額外增加一個濾波器，濾除高次諧波，本文采用SPWM方式進行調制，所以要根據SPWM調制技術設計一種適合于單相全橋式逆變電路的濾波器，達到濾波效果。輸出濾波器的結構如圖3所示。Lf1、Lf2和Lf3為普通的電感，CMR-Lf為共模抑制電感，實質上就是由兩個線圈纏繞在同一根鐵芯上。當電流流經線圈時，電流所產生的磁場相互抵消，電流受到的影響較小，當共模抑制電流流經線圈時，磁場加強，加大線圈的阻抗，同時線圈對其為高阻狀態，針對共模電流產生的阻尼，達到濾除共模干擾的目的[8-9]。輸出濾波的電感由電流波紋的大小決定，本文選取10%的額定電流。

電感電流：

式中：fc為系統開關管頻率；D為占空比；VDC為直流母線電壓；UO為輸出電壓。

圖3 濾波器結構圖

根據以上提出的設計方案，基于Matlab軟件搭建固體氧化物燃料電池的發電系統逆變器的仿真模型，前級采用DC/DC隔離型全橋變換器，將理想的40 V低壓直流電轉換為高壓400 V的穩定直流電，DC/DC變換器的開關控制采用單極性倍頻SPWM調制方式，然后再經過全橋逆變器將400 V高壓直流電逆變為220 V/50 Hz的穩定交流電。圖4為逆變器仿真模型。

圖4 逆變器仿真模型

4 仿真分析

前級DC/DC隔離式全橋變換電路Vomin=400 V，開關頻率fs=20 kHz，Iomax=4.54 A，變壓器變比n=20，Vin=40 V，VD=0.8 V，L=10 mH。從圖5可以看到，從零開始電壓快速上升，0.78～0.82 s之間電壓出現突變，隨后，大約0.83 s后達到穩定，將單體固體氧化物電堆輸出的較大波動的40 V低壓直流電升成穩定的400 V高壓直流電，輸出的電壓波形圖較平滑。

開關頻率為f=25 Hz，前級DC/DC變換器輸出電壓VDC=400 V，ΔIc≈0.45 A，L=4 mH，C=2.2 μF，由圖6可知，當固體氧化物燃料電池單獨運行時，220 V/50 Hz輸出電壓波形穩定。由此，通過Matlab/Simulink軟件仿真結果可知以上對固體氧化物發電系統逆變器的設計符合要求。

圖5 隔離型全橋逆變電路的直流母線電壓

圖6 全橋逆變電路輸出電壓

5 結束語

本文針對固體氧化物燃料電池發電系統的前級DC/DC隔離全橋變換器、全橋逆變器和濾波器進行設計，根據設計的參數應用Matlab軟件搭建系統模型，進行仿真。最后經過仿真分析結果可以得到穩定的正弦220 V/50 Hz的交流電供負載使用，逆變器的設計符合供電要求。

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[9]曹紅亮.固體氧化物燃料電池發電系統動態建模與控制[D].武漢：華中科技大學，2012.

Research on power generation system inverter with solid oxide fuel cell

WEI Li-ming,LV Xue-ying
(School of Electrical and Computer,Jilin Jianzhu University,Changchun Jilin 130118,China)

The 40 V(DC)output low voltage of fuel cell pile was boosted to 400 V high voltage DC electricity by the front-end DC/DC converter,then was converted into 220 V/50 Hz AC by the full bridge inverter.The DC/DC converter and full bridge inverter were simulated,providing theoretical reference for the application of fuel cells.

fuel cell;isolated full bridge converter;DC/AC inverter;filter;Matlab simulation

TM911

A

1002-087 X(2016)08-1602-03

2016-02-23

魏立明(1974—)，男，吉林省人，教授，主要研究方向為電氣工程研究。