燃料電池供電系統(tǒng)的研究.pdf

1、隨著人類生活水平的不斷提高，對(duì)能源的需求大幅度增加?；茉吹炔豢稍偕茉凑找婵萁?，而且它所造成的環(huán)境污染日益嚴(yán)重。氫能作為一種綠色新能源，得到越來越多的應(yīng)用。氫能利用的一個(gè)重要方面就是燃料電池，它將氫和大氣中的氧反應(yīng)轉(zhuǎn)換為電能，其反應(yīng)產(chǎn)物為純凈水，對(duì)環(huán)境沒有污染，而且噪聲也很小。因此燃料電池供電系統(tǒng)的研究對(duì)新能源的發(fā)展和應(yīng)用具有重要的意義。 本文提出了燃料電池供電系統(tǒng)的通用結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況，通過分析和對(duì)比，確定了復(fù)合式

2、燃料電池供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為本文所要研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由燃料電池、單向變換器、雙向變換器、蓄電池和逆變器構(gòu)成，其中蓄電池通過雙向變換器與直流母線并聯(lián)，該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 由于蓄電池的引入，燃料電池的功率等級(jí)只需按照系統(tǒng)額定功率進(jìn)行配置，從而降低整個(gè)系統(tǒng)的成本；2) 當(dāng)負(fù)載發(fā)生突變?nèi)剂想姵貋聿患胺磻?yīng)時(shí)，可由蓄電池通過雙向變換器向負(fù)載供電，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，可以由蓄電池向負(fù)載供電，因此便于燃料電池的自啟動(dòng)；3) 雙向變換器可以控

3、制蓄電池的充放電電流，延長(zhǎng)蓄電池的壽命；4) 雙向變換器的一端與直流母線并聯(lián)，而直流母線的電壓相對(duì)比較穩(wěn)定，因此雙向變換器優(yōu)于設(shè)計(jì)，可以減小電感大小，從而提高動(dòng)態(tài)性能；5) 可以通過選擇雙向變換器的工作模式來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的能量管理，確保燃料電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作，使得系統(tǒng)可以高效工作。 燃料電池沒有功率調(diào)節(jié)能力，外特性很軟，這就要求單向DC-DC變換器可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)高效工作。本文將LLC諧振網(wǎng)絡(luò)引入到復(fù)合式全橋三電平變換器

4、中，得到了適合于燃料電池供電系統(tǒng)的復(fù)合式全橋三電平LLC諧振變換器。該變換器集成了復(fù)合式全橋三電平變換器和LLC諧振變換器的優(yōu)點(diǎn)：1) 適合于寬輸入電壓范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，可以在很寬的輸入電壓范圍內(nèi)高效工作；2) 三電平橋臂的開關(guān)管電壓應(yīng)力只有輸入電壓的一半；3) 輸出整流二極管實(shí)現(xiàn)ZCS，而且其電壓應(yīng)力僅為輸出電壓；4) 可以在全負(fù)載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)ZVS；5) 輸入電流紋波和輸出濾波器可以減小。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的正確性。 在高壓

5、的燃料電池供電系統(tǒng)中可采用加箝位二極管ZVS PWM三電平變換器，但原有的變換器存在一定的缺點(diǎn)，本文對(duì)原變換器進(jìn)行改進(jìn)，將變壓器和諧振電感交換位置，使變壓器與滯后管相連。改進(jìn)型加箝位二極管ZVS PWM三電平變換器保留了原變換器消除輸出整流管反向恢復(fù)引起的電壓振蕩的優(yōu)點(diǎn)，并且還具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 在一個(gè)周期中，箝位二極管只導(dǎo)通一次，因此其電流定額可以減?。?) 零狀態(tài)時(shí)導(dǎo)通損耗小，效率可以提高；3) 占空比丟失小。此外，還討論了隔直電容

6、在不同位置時(shí)對(duì)變換器工作的影響，確定了一種最佳工程方案，即在改進(jìn)后變換器的變壓器中串聯(lián)隔直電容，并以一個(gè)3kW的原理樣機(jī)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢，自啟動(dòng)困難，所以系統(tǒng)中引入了蓄電池和雙向變換器。本文提出了適合于燃料電池供電系統(tǒng)的三電平Buck/Boost雙向變換器。該變換器具有以下優(yōu)點(diǎn)：1) 電感可以大大減小，提高變換器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，從而優(yōu)化整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；2) 開關(guān)管電壓應(yīng)力僅為高電壓端輸入電壓的一半。

7、由于系統(tǒng)中除了燃料電池外，還有蓄電池作為能量存儲(chǔ)裝置用來在不同的條件下給負(fù)載輔助供電或吸收多余的能量。為了確保系統(tǒng)具有很高的效率和可靠的穩(wěn)定性，必須保證燃料電池和蓄電池協(xié)調(diào)工作，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的能量走向流進(jìn)行管理。本文提出了系統(tǒng)的能量管理控制思路，其核心是根據(jù)燃料電池和蓄電池的狀態(tài)來控制雙向變換器，使其分別工作在Buck、Boost或關(guān)機(jī)模式，以此來控制蓄電池的充放電狀態(tài)，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行能量管理。本文確定了單向和雙向變換器穩(wěn)壓和限流值，