燃料电池发电系统中高增益直流变换器控制回路的设计

刘　威，黎凡森，李　清，曹太强

(西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039)



·机电工程·

燃料电池发电系统中高增益直流变换器控制回路的设计

刘威，黎凡森，李清，曹太强*

(西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

燃料电池输出电压具有低等级和宽范围变化的特性。为满足直流负载或后级逆变器的需求，设计一种具有较高电压等级且稳定的高增益直流变换器是关键。文章分析单管高增益二次型Boost变换器的主电路拓扑结构、工作原理及稳态性能，通过对其小信号建模及频域特性分析可知：被控制对象的开环传递函数中含有2个谐振尖峰，系统稳定性差，需在控制回路中加入相应的补偿网络。为此，设计了控制回路的补偿网络并对控制回路参数进行选取。仿真和实验结果表明：输出电压都能稳定在期望值50 V；仿真输出电压纹波为2 %，实验输出电压纹波为2.5 %。同时由实验结果还知，满载时变换器工作效率最高达到90 %。仿真和实验结果验证了变换器设计的正确性和可行性。

燃料电池发电系统；高增益；二次型 Boost变换器；小信号建模；控制回路

近年来在能源危机及环境保护的双重压力下，新能源发电技术得到人们的广泛关注[1]。燃料电池发电技术以其燃料利用率高、来源广泛、可靠性高等优点，成为可再生能源的优先选择[2]，然而燃料电池输出电压等级较低且输出特性随负载变化范围较宽[2-5]；因此，需要在选择具有宽输入范围、高增益的直流变换器[6-8]的基础上，设计合适的控制回路，以满足后级用电设备或并网发电的要求。常用的控制方法有电压控制模式、电流控制模式。电压控制模式只需要反馈输出电压，控制电路的设计相对简单；但是由于占空比到输出电压的开环传递函数的穿越频率严重地被右半平面的零点所限制，故在该控制策略下很难得到较好的稳定性和闭环性能[9-11]。电流控制模式包括峰值电流控制和平均电流控制。峰值电流控制易受噪声影响，需谐波补偿，具有尖峰值误差[12]；平均电流控制响应速度快、噪声抑制能力强、无需谐波补偿等[12]。为此，本文选择控制性能较为优越的平均电流控制模式对该直流变换器进行控制回路设计。

本文首先对具有较高电压等级的二次型Boost变换器[9]进行研究，然后在理论分析的基础上，对其进行控制回路的设计及相关参数的选取，最后搭建仿真和实验平台，验证理论分析的正确性。

1　主电路拓扑结构及工作原理

1.1拓扑结构

二次型Boost变换器主电路的拓扑结构[9]如图1所示。Uin为输入电压，UO为输出电压，L1、C1，L2、C2为2个LC滤波器，其中C2为输出电容，S1为主开关管，D1、D2、D3为3个无源开关管。为便于分析，假设：所有的开关管、二极管和储能元件均为理想元器件；C2足够大，稳态时直流电压恒定，纹波电压可以忽略；变换器的开关频率为fs，开关周期为Ts，开关管的导通占空比为D。

图1　二次型Boost变换器主电路拓扑结构图

1.2工作原理

选择合适的电感值L1，使电感电流iL1工作于连续的运行模式下，假设本文研究拓扑结构的占空比D<0.5，相应的关键工作波形如图2所示。一个开关周期包含2种工作状态，等效电路图如图3所示。

图2　二次型Boost变换器关键工作波形图

(a)工作模态1 [t0,t1]

(b)工作模态2 [t1,t2]图3　变换器一个开关周期的2个工作模态

1)工作模态1 [t0,t1]，如图3 (a)所示。在t0时刻，开关管S1导通，电源Uin给电感L1充电，D2为其提供充电通路，电感电流iL1线性上升；储能电容C1向电感L2放电，电感电流iL2线性上升；二极管D1、D3分别承受反向电压关断；储能电容C2向负载放电维持输出电压的稳定。该工作模态下电感电流iL1、iL2的上升斜率分别为：

(1)

(2)

2)工作模态2 [t1,t2]，如图3 (b)所示。t1时刻开关管S1关断，电源Uin与电感L1共同向电容C1放电；同时与电感L2共同分别向输出电容C2及负载放电，二极管D1、D3为其提供通路，电感电流iL1、iL2均线性下降。该工作模态下电感电流iL1、iL2的上升斜率分别为：

(3)

(4)

1.3稳态性能分析

根据电感L1、L2的伏秒平衡原理可得：

(5)

稳态时电路存在关系

UC2=UO。

(6)

由式 (5)、(6)可得：

(7)

(8)

即电压增益为

(9)

可以看出，该拓扑结构输出电压对输入电压的增益是占空比的平方倍关系，明显高于传统的Boost变换器，大大提高了电压增益。

2　小信号建模分析

由于二次型Boost变换器的输出电压对占空比的开环传递函数中含有3个右半平面的零点[9]，为非最小相位系统，当负载或输入信号等发生变化时容易造成系统的不稳定。为便于分析其频域特性，并为控制回路的设计和参数的选取提供参考，须对该变换器进行小信号建模分析。本文采用状态空间平均法对其进行小信号模型的分析，选择X=[iL1、iL2、UC1、UC2]T为状态空间变量，输入变量为Uin，输出变量y(t)=[ig(t),UO(t)]T。

当开关管开通或关断时，等效电路如图4所示。

(a)开关管开通

(b)开关管关断图4　二次型Boost变换器等效电路

假设该变换器工作于CCM模式下，则一个周期中对应开关管导通(0≤t≤dTs)和关断(dTs≤t≤Ts)2个状态。

开关管开通时，等效电路如图4(a)所示，其状态空间方程为：

(10)

同理，开关管关断时，等效电路如图4(b)所示，其状态空间方程为：

(11)

当变换器满足低频、小纹波、小信号假设[10]时，可得到交流小信号状态方程与输出方程，为：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

图开环传递函数的bode图

3　控制回路的设计与参数选取

由二次型Boost变换器的小信号建模[8]分析可知，输出电压UO、第2个电感电流iL2对占空比的开环传函中含有右半平面的零点[9]，为非最小相位系统，只有第1个电感电流iL1对占空比的传递函数为最小相位系统[11]；因此，在平均电流控制模式中，选择第1个电感电流为平均电流控制内环的反馈信号，电压控制环作为外环控制，其控制结构如图6所示。

图6　平均电流法控制框图

图的开环传递函数的bode图

4　仿真及实验验证

为验证本文所研究的拓扑结构及控制策略的可行性，搭建仿真和实验平台，其整体结构图如图8所示。

图8　二次型Boost变换器及控制器设计整体结构图

4.1仿真验证

为验证其拓扑结构及控制策略的可行性，在MATLAB/SIMULINK中进行了仿真模型的搭建，利SCOPE模块测得相关仿真波形，如图9—11所示。相关仿真参数为：输入电压Uin=9 V，L1=47 μH,L2=100 μH,C1=100 μF,C2=47 μF，负载RO=50 Ω，UO=50 V。

图9—11分别为开关管信号及输出电压电流波形图、电感L1/L2的电流及电压波形图、电容C1/C2的电压及电流波形图。可以看出：输出电压能很好地稳定在期望值50 V附近，有一定的纹波，大小为2 %，且和输出电容C2变化保持一致。当开关管开通时，输出电容电压下降，处于放电模式；当开关管关断时，输出电容电压升高，处于充电模式。电感电流iL1、iL2在开关管开通时呈上升趋势，此时电压为正；在开关管关断时呈下降趋势，此时电压为负。电容C1的变化趋势同C2。

图9　开关管信号及输出电压电流

4.2实验验证

在仿真验证的基础上进行实验平台的搭建，并通过示波器测得实验数据，其结果如图12—16所示。主电路器件的型号及参数选取如下：MOSFET S1选用IPP110N20NA，二极管D1、D2、D3选用STPS1017CB；主电路参数的选取同2节。控制回路芯片的型号及参数选取如下：运算放大器IC选用LMV358、比较器选用LM339AD、驱动器选用MIC4420；电流环的采样电阻RL=0.05 Ω，采样环路的放大系数为15，其中RIC11=1 kΩ，RIC12=15 kΩ；电压环采样电阻Rr1=22 kΩ，Rr2=2.2 kΩ，电压环采用PI调节器，其中RIC21=10 kΩ，RIC22=2.7 kΩ，C4=33 nF；电流环选用单极点单零点补偿网络，其中RIC31=10 kΩ，RIC32=2.7 kΩ,C5=10 nF，C6=330 pF；低通滤波器DTR=1 kΩ，DTC=1 nF。

图10　电感L1、L2的电流及电压波形图

图11　电容C1、C2的电压及电流波形图

图12、13分别为开关管驱动脉冲、iL1及输出电压和其对应的纹波波形图。由图可知：该变换器带载0.4 A时，输出电压能够较好地稳定在期望值50 V附近，此时的占空比约为0.58，且开关管开通时，电感电流iL1呈上升趋势，开关管关断时，电感电流iL1呈下降趋势；输出电压的纹波较小，约为2.5%，具有较高的精度。

图12　开关管驱动脉冲、iL1 及输出电压波形图

图13　开关管驱动脉冲、iL1 及输出电压纹波波形图

图14、15分别为变换器带周期性变化负载(由0.25 A到0.6 A周期性变化)时输出电压及电压纹波的波形图。可以看出，输出电压随负载的变化呈现较小的波动，且负载突变时刻，输出电压呈现一个幅值约为1.6 V的尖峰，并且经过6.38 ms后迅速稳定在期望值附近，其波形如图16所示。综上可知，该变换器具有较高的电压增益、较快的响应速度及较好的稳定性。

图14　负载周期性变化时输出电压的波形图

图15　负载周期性变化时输出电压的纹波波形图

图16　负载突增时输出电压纹波图

在分析该变换器稳态及动态性能的基础上，对不同的负载运行情况下的输出电压及电流进行采样，得到该变换器的效率曲线，如图17所示。可知，满载时该变换器工作效率约为84 %，最高时可达90 %。

图17　效率曲线

5　总结

本文研究燃料电池发电系统的二次型Boost变换器，在相关理论分析的基础上进行了控制策略的设计，并进行了仿真和实验验证。结果表明：该设计能产生较高的电压增益，输出电压范围广、稳定性高，适用于对电压增益要求较高的燃料电池发电系统，可为燃料电池发电系统功率变换器控制电路的优化提供新思路。

[1]朱德斌. 微网逆变器控制研究[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2013.

[2]娄凤强. 燃料电池并网发电系统前端DC/DC变换器研究[D]. 济南：山东大学，2011.

[3]李博.质子交换膜燃料电池的建模与仿真[D]. 北京：北京化工大学，2012.

[4]李奇. 质子交换膜燃料电池系统建模及其控制方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[5]Jesus Leyva-Ramos, Juan Manuel Lopez-Cruz,Maria Gua-dalupe Ortiz-Lopez, et al. Switching Regulator Using a High Step-up Voltage Converter for Fuel-cell Modules[J].Power Electronics Iet, 2013,6(8): 16263.

[6]胡雪峰, 龚春英, 陈杰, 等. 一种高增益交错耦合电感直流变换器[J]. 中国电机工程学报, 2014, 4(3):380.

[7]王挺, 汤雨, 付东进, 等. 一种耦合电感高增益双管升压变换器[J]. 中国电机工程学报, 2014, 4(9): 1319.

[8]张超, 周强, 周华伟. 单开关高增益混合直流变换器的研究与实验[J]. 电力电子技术，2014, 48(2)：40.

[9]Leyva-Ramos L, Ortiz-Lopez M G, Diaz-Saldiern L H, et al. Switching Regulator Using a Quadratic Boost Converter for Wide DC Conversion Ratios[J].Power Electronics Iet, 2009,2(5):605.

[10]张卫平. 开关变换器的建模与控制[M]. 北京：中国电力出版社, 2005: 166-189.

[11]李清，张彼德，郭筱瑛，等.燃料电池发电系统中功率变换器的研究[J].可再生能源,2015,33(7):1078.

[12]杨汝. 平均电流模式的控制电路的设计[J]. 电力电子技术, 2002, 36(4): 66.

(编校：饶莉)

Design on Control Circuit of High Gain DC Converter in Fuel Cell Power Generation System

LIU Wei, LI Fansen, LI Qing, CAO Taiqiang*

(SchoolofElectricalEngineeringandElectronicInformation,XihuaUniversity,Chengdu610039China)

Fuel cell has the features of low level and wide range output voltage. In order to meet the need of DC load or back-stage inverter, steady high-gain DC /DC converter with high level voltage is necessary. The paper analyzed main the circuit topology structure, work principle and the steady-state performance of the single tube high gain quadratic boost converter in frequency domain, and learned that the open loop transfer function has two resonance pointed peaks and system stability is poor. The paper designed a compensation network of control loop to improve the performance. The experiment results show that as for the presented converter, the output voltages are stable in expectations at 50 V, and the simulation output voltage ripple 2 %, and the experimental output-voltage ripple voltage 2.5 %, and the converter efficiency up to 90 % of full load. The results verify the correctness and feasibility of the converter.

fule cell power generation system; high gain; quadratic Boost converter; small signal model; control circuit

2015-12-29

四川省高校重点实验室项目太阳能技术集成及应用推广(2013TYNZ-02/TYN2015-09)；四川省电力电子节能技术与装备重点实验室项目新型高效无桥高功率因数变换器的研究(szjj2015-066)；西华大学研究生创新基金研究项目(ycjj2015209)；西华大学学生创新创业项目(苗子工程)(2015RZ0030)；攀枝花市太阳能光伏离/并网智能化控制逆变一体集成应用(2014CY-S-1-2)；攀枝花学院分布式光伏多逆变器并网控制研究(2014YB11)；攀枝花市科技计划项目光伏发电系统关键技术研制(2015 CY-C-5)。

曹太强(1969—)，男，副教授，博士，主要研究方向为新能源发电技术。E-mail：ctq815@163.com

TM46

A

1673-159X(2016)04-0085-7

10.3969/j.issn.1673-159X.2016.04.018