固体氧化物燃料电池发电系统逆变器研究

魏立明，吕雪莹

(吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春130118)

固体氧化物燃料电池发电系统逆变器研究

魏立明，吕雪莹

(吉林建筑大学电气与计算机学院，吉林长春130118)

将燃料电池电堆输出的40 V直流低压电首先经过前级DC/DC变换器升压为400 V的高压直流电，后经全桥逆变器转换为220 V/50 Hz的交流电，分别对DC/DC变换器和全桥逆变器进行仿真分析，为燃料电池的应用研究提供了理论参考及借鉴。

燃料电池；隔离型全桥变换器；DC/AC逆变器；滤波器；Matlab仿真

燃料电池发电系统的发展已经成为解决全球环境问题的重要途径之一，其不间断的特点具有平衡发电机和负载需要的储存能力[1]。燃料电池是可再生的新能源，有着广泛的应用前景。本文是对独立工作时1 kW SOFC发电系统进行仿真分析，单体SOFC的输出电压为0.8 V[2]，把多个单体燃料电池串/并连在一起组成燃料电池电堆，大部分制造商选择标准的28～43 V作为电堆的输出电压，适当减少燃料电池的数量来实现更好的功能，减轻对后级逆变器的要求[3]。考虑到燃料电池低电压的特性，需要将燃料电池电堆输出的低压直流电(变换器的输入电压)进行升压，然后在经过逆变器逆变成交流电，后经滤波器滤除高频电压，最后输出稳定的正弦交流电供负载使用。

1 DC/DC变换器的设计

根据SOFC发电系统特点，并网/独立逆变系统的前级DC/DC变换器应该具有如下几个作用：

(1)提高输入电压

固体氧化物电堆输出电压期望值在40 V，当负荷功率变化时，输出电压的波动范围在28～43 V[4]，低于负载的用电电压，所以在SOFC发电系统从输出到负载的过程中必须先经DC/DC变换器进行升压。

(2)输入电压波动大

固体氧化物燃料电池电堆的输出电压产生波动时，前级DC/DC变换器应当提供稳定的输出电压供给后级DC/AC正常工作的输入电压，当负载突变时发电系统也可正常运行。

(3)转换效率高

逆变器影响着整个发电过程中产生的成本费用和工作效率，本文中，对逆变器的转换效率要求高于85%，因此，前级DC/DC变换器的工作效率也应当提高。

(4)抑制输入电压低频波

固体氧化物燃料电池电压波动大，与此同时电流波纹在内阻上产生纹波电压和附加损耗。在DC/DC变换器的设计中，应当采取相应的方法进行抑制低频纹波。

通过以上的分析，本文固体氧化物燃料电池发电系统前级DC/DC变换器采用隔离型全桥DC/DC变换电路。该变换器可以应用在较宽范围的输入电压，在中、高输入电压，中大功率输入中占有明显优势[5-6]。隔离型升压全桥变换器由输入电源Ui，电感L，全桥逆变电路Q1～Q4，隔离升压变压器的升压比nT，全桥整流电路D1～D4，滤波电容CO，负载RL构成。调节4个功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4的关断和导通，在变压器原边得到交流方波电压，后经隔离变压器进行升压后，变压器副边得到一个nT倍幅值的交流电压。隔离型升压全桥变换器的结构如图1所示。

图1 隔离升压全桥变换器原理图

2 DC/AC逆变器的设计

前级隔离型全桥DC/DC变换器将SOFC的低压大电流、不稳定的直流电压进行升压，后级采用单相全桥逆变器将前级输出的稳定直流电逆变为交流电为负载供电，其直流侧的电压利用率高于半桥式逆变器，可以采用低开关频率，对输出端滤波器的规模、费用有益。全桥逆变电路的拓扑结构如图2所示。固体氧化物燃料电池发电系统独立运行时，其逆变环节采用PWM反馈控制，电压作为反馈信号与参考的正弦波参考电压做比较，误差经过PI调节器调节后，得到稳定220 V交流电[7]。全控型开关器件S1、S4和S3、S2分别采用统一的开关信号，S1(S4)和S3(S2)驱动信号相位相差180°，当S1、S4工作时，S3、S2停止，当S1、S4停止时，S3、S2开始工作。四个开关管按照一定的规律进行开、断。T为2 p、输出电压VAB的频率f=1/T、ω=2 pf。当0≤ωt

VAB基波幅值为：

n次谐波幅值为：

图2 全桥逆变电路拓扑结构图

3 滤波器的设计

单相全桥逆变器电路的输出波形并非是标准正弦，所以要额外增加一个滤波器，滤除高次谐波，本文采用SPWM方式进行调制，所以要根据SPWM调制技术设计一种适合于单相全桥式逆变电路的滤波器，达到滤波效果。输出滤波器的结构如图3所示。Lf1、Lf2和Lf3为普通的电感，CMR-Lf为共模抑制电感，实质上就是由两个线圈缠绕在同一根铁芯上。当电流流经线圈时，电流所产生的磁场相互抵消，电流受到的影响较小，当共模抑制电流流经线圈时，磁场加强，加大线圈的阻抗，同时线圈对其为高阻状态，针对共模电流产生的阻尼，达到滤除共模干扰的目的[8-9]。输出滤波的电感由电流波纹的大小决定，本文选取10%的额定电流。

电感电流：

式中：fc为系统开关管频率；D为占空比；VDC为直流母线电压；UO为输出电压。

图3 滤波器结构图

根据以上提出的设计方案，基于Matlab软件搭建固体氧化物燃料电池的发电系统逆变器的仿真模型，前级采用DC/DC隔离型全桥变换器，将理想的40 V低压直流电转换为高压400 V的稳定直流电，DC/DC变换器的开关控制采用单极性倍频SPWM调制方式，然后再经过全桥逆变器将400 V高压直流电逆变为220 V/50 Hz的稳定交流电。图4为逆变器仿真模型。

图4 逆变器仿真模型

4 仿真分析

前级DC/DC隔离式全桥变换电路Vomin=400 V，开关频率fs=20 kHz，Iomax=4.54 A，变压器变比n=20，Vin=40 V，VD=0.8 V，L=10 mH。从图5可以看到，从零开始电压快速上升，0.78～0.82 s之间电压出现突变，随后，大约0.83 s后达到稳定，将单体固体氧化物电堆输出的较大波动的40 V低压直流电升成稳定的400 V高压直流电，输出的电压波形图较平滑。

开关频率为f=25 Hz，前级DC/DC变换器输出电压VDC=400 V，ΔIc≈0.45 A，L=4 mH，C=2.2 μF，由图6可知，当固体氧化物燃料电池单独运行时，220 V/50 Hz输出电压波形稳定。由此，通过Matlab/Simulink软件仿真结果可知以上对固体氧化物发电系统逆变器的设计符合要求。

图5 隔离型全桥逆变电路的直流母线电压

图6 全桥逆变电路输出电压

5 结束语

本文针对固体氧化物燃料电池发电系统的前级DC/DC隔离全桥变换器、全桥逆变器和滤波器进行设计，根据设计的参数应用Matlab软件搭建系统模型，进行仿真。最后经过仿真分析结果可以得到稳定的正弦220 V/50 Hz的交流电供负载使用，逆变器的设计符合供电要求。

[1]JANG S J,WON C Y,LEE B K,et al.Fuel cell generation system with a new active clamping current-fed half-bridge converter[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2007,22(2):332-340.

[2]吴小田.一种高升压比DC/DC变换器设计[D].杭州：浙江大学，2012.

[3]周念成，李春艳，王强钢，等.固体氧化物燃料电池发电系统建模与控制[J].电力系统保护与控制，2012，40(1):120-126.

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[5]胡漾.燃料电池用单相并网逆变器的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[6]黄捷.1 kW固体氧化物燃料电池逆变器的研究[D].武汉：华中科技大学，2012.

[7]方如举，吕延会，张元敏.燃料电池逆变供电系统的建模和控制[J].电力系统保护与控制，2012，40(3)：90-94.

[8]曾利平.1 kW可并网燃料电池逆变器的研究和开发[D].上海：上海交通大学，2010.

[9]曹红亮.固体氧化物燃料电池发电系统动态建模与控制[D].武汉：华中科技大学，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，主要研究方向为电气工程研究。