氢能燃料电池逆变控制的研究

【摘要】：环境污染、能源危机问题日益严重的今天，以氢能为代表的可再生能源得到越来越多的应用。燃料电池是氢能利用的一个重要方面，其反应产物为水，对环境没有污染。而DC/AC逆变器是燃料电池和其他新能源发电系统中的一个重要组成环节，具有重要的研究价值。 本文对氢燃料电池发电系统电能变换的通用电路结构进行了研究。氢燃料电池具有比较软的输出外特性，因而在采用两级结构时要求前一级DC/DC变换器可以高效的工作在比较宽的输入电压范围内。通过对比和讨论本文确定了两级结构的燃料电池逆变系统，通过仿真实验详细地分析了相关参数的变化对系统输出波形的影响。该系统具有以下特点： （1）两级结构，前级和后级功能独立，结构清晰明确。由DC/DC变换器构成的前级电路可以实现升压作用和电气绝缘的作用，提供稳定的直流电输出给后级的逆变环节。后级DC/AC逆变器可以实现逆变输出交流电。 （2）通过调节调制深度和载波频率可以方便的调节输出电压的基波幅值和谐波频率。 （3）采用了高频变压器，使得电能变换系统装置体积小、重量轻。 （4）能够达到燃料电池电压输出要求，满足负载需要。 针对两级结构的通用逆变系统拓扑结构复杂，开关器件多，不易于控制的问题。本文研究了一种目前比较热门的逆变器拓扑结构，双boost逆变电路。双boost逆变电路是一种可以将较低的直流电压输入转换为较高的交流电压输出的拓扑，具有良好的发展前景。本文对双boost逆变电路拓扑的直流增益特性和交流增益特性进行了分析，给出了经过修订的交流增益特性。该电路拓扑具有以下特点： （1）结构简单，功率开关器件少，实现单级输出，开关损耗低。 （2）可以实现升压功能，电流双向导通，输出电压可以在四个象限内变化。 （3）电压调制原理简单，易于控制。 针对双boost电路输出波形总谐波分量大，升压比不高的问题，本文对双boost逆变电路拓扑进行了改进，提出了一种将双boost电路与LC谐振电路相结合的改进型拓扑结构，并通过采用PID控制和SPWM控制，使得输出波形达到理想值。该技术具有以下特点： （1）升压比高，由于谐振电路的作用，升压比可以达到十倍以上。 （2）可以实现对输出电压的调节，得到符合要求的输出电压。 （3）有效地减少了输出电压波形的总谐波失真，输出电压接近理想正弦波。 根据以上分析，本文搭建了软件仿真和硬件实验系统平台，实验结果表明，在参数合适的条件下系统可以实现较好的输出波形，验证了理论分析的有效性。 【关键词】：氢燃料电池逆变器 双boost变换器 SPWM DC/DC变换器
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TM911.4;TM464
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• ABSTRACT6-13
• 第一章 绪论13-31
• 1.1 研究的目的及意义13
• 1.2 氢能燃料电池的发展现状13-19
• 1.2.1 国际氢能燃料电池的发展现状17-19
• 1.2.2 国内氢能燃料电池的发展现状19
• 1.3 氢能燃料电池发电系统概述19-21
• 1.4 逆变技术的研究现状21-28
• 1.4.1 DC/AC 逆变器的发展历史21-24
• 1.4.2 DC/AC 变换器的开关器件24-25
• 1.4.3 DC/AC 变换器的其他相关技术25-28
• 1.5 课题研究内容和主要工作28-31
• 第二章 燃料电池逆变系统的研究31-45
• 2.1 DC/AC 逆变器的拓扑结构31-33
• 2.2 前置 DC/DC 变换器的电路功能33
• 2.3 燃料电池发电主电路结构33-34
• 2.4 全桥逆变器的调制策略分析34-36
• 2.4.1 全桥逆变器的单极性 SPWM 调制35
• 2.4.2 全桥逆变器的双极性 SPWM 调制35-36
• 2.5 全桥式逆变电路的仿真分析36-40
• 2.5.1 仿真参数设置37-38
• 2.5.2 仿真结果及分析38-40
• 2.6 逆变系统仿真分析40-44
• 2.6.1 氢燃料电池发电系统通用电路结构40-41
• 2.6.2 各主要参数的设置41-42
• 2.6.3 仿真波形及分析42-44
• 2.7 本章小结44-45
• 第三章 双 boost 逆变电路的研究45-57
• 3.1 双 boost 变换器的拓扑分析45-46
• 3.2 双 boost 变换器的直流特性和交流特性46-48
• 3.2.1 双 boost 逆变器的直流增益特性46-47
• 3.2.2 双 boost 逆变器的交流增益特性47-48
• 3.3 改进型双 boost 电路拓扑结构48-50
• 3.4 改进型双 boost 变换器的控制策略设计50-53
• 3.5 改进型双 boost 变换器的仿真分析53-55
• 3.6 本章小结55-57
• 第四章 改进型双 boost 逆变电路系统实验搭建57-67
• 4.1 系统设计方案57
• 4.2 主要元器件的选型57-58
• 4.3 IBGT 驱动电路的设计搭建58-61
• 4.4 输出滤波器的设计搭建61
• 4.5 双 boost 电路主电路的设计搭建61-62
• 4.6 DSP 软件算法的设计62-64
• 4.6.1 DSP 内部的功能模块介绍62-63
• 4.6.2 DSP 软件算法设计63-64
• 4.7 实验与结果分析64-66
• 4.7.1 传统双 boost 逆变器的实验分析64-65
• 4.7.2 改进型双 boost 逆变器的实验分析65-66
• 4.8 本章小结66-67
• 第五章 总结和展望67-69
• 5.1 课题总结67
• 5.2 展望67-69
• 参考文献69-72
• 致谢72-73
• 研究成果及发表学术论文73-74
• 作者与导师简介74-75
• 附表75-76

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