燃料电池并网发电系统前端DC/DC变换器研究

论文摘要

由于全球污染问题日渐加剧,寻求绿色能源变得越来越重要。燃料电池发电被认为是继火力发电、水力发电、核能发电之后的第四代发电装置,是21世纪全新清洁、高效的发电方式。为了高效的利用燃料电池电能,必须配备功率调节系统(PCS)。功率调节系统一般包含DC/DC变换器和DC/AC逆变器。低压、大功率燃料电池功率调节系统中的DC/DC变换器必须有处理高电压变比和高输入电流的能力。尽管目前已经提出了很多DC/DC变换器,但是其主要应用于降压设备中的高输入电压系统,这些DC/DC变换器并不适合应用于低压大功率燃料电池设备中。本文分析了一种新颖的应用于燃料电池设备中的三相六桥臂DC/DC变换器,其通过多相并联提高变换器的功率等级；变压器Δ/Y连接,减小变压器变比；采用移相交错控制,减小输出滤波器体积：变换器具有软开关性能。本论文研究的拓扑结构应用在燃料电池并网发电系统中,完成燃料电池输出与并网逆变器输入之间的升压功能。文中详细分析了三相六桥臂DC/DC变换器的工作原理,提出了变换器的平均模型,设计了变换器功率阶段电路参数。为了使变换器输出稳定,设计了单电压环控制器,仿真证明了控制设计。针对燃料电池发电系统的低频纹波电流抑制问题,详细探讨了其产生机理,提出了通过有源双环控制降低低频纹波电流,给出了其理论依据和实现方法,仿真证明了有源控制技术的有效性。文中还分析了移相控制DC/DC变换器的软开关性能。最后详细描述了电路中元器件的选择,同时设计了变换器的硬件实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.2 燃料电池概述
• 1.2.1 燃料电池的发展历史
• 1.2.2 燃料电池的分类及特性
• 1.2.3 燃料电池的工作原理
• 1.3 燃料电池发电产业的研究现状与应用前景
• 1.3.1 国内燃料电池发电技术现状及前景
• 1.3.2 国外燃料电池发电技术现状及前景
• 1.4 论文主要研究内容
• 第二章 三相交错并联DC/DC变换器
• 2.1 DC/DC变换器的特点
• 2.2 DC/DC变换器拓扑回顾
• 2.2.1 半桥式DC/DC变换器
• 2.2.2 全桥式DC/DC变换器
• 2.2.3 推挽式DC/DC变换器
• 2.3 多相隔离DC/DC变换器
• 2.4 三相交错并联DC/DC变换器分析
• 2.4.1 拓扑结构的特点
• 2.4.2 运行模式分析
• 2.4.3 可调变换器模型2分析
• 第三章 前端DC/DC变换器控制设计
• 3.1 功率阶段设计和器件选择
• 3.1.1 电容器设计
• 3.1.2 输出滤波器设计
• 3.2 直流变换器的平均模型
• 3.3 单电压环控制设计
• 3.3.1 补偿器设计
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 逆变器负载对系统的影响
• 第四章 系统间影响与软开关能力
• 4.1 系统的相互影响
• 4.2 低频纹波电流
• 4.3 有源双环控制设计
• 4.3.1 双闭环控制系统
• 4.3.2 内部电流环设计
• 4.3.3 外部电压环设计
• 4.4 仿真结果分析
• 4.4.1 DC/DC变换器带电阻负载
• 4.4.2 DC/DC变换器带逆变器负载
• 4.5 变换器的软开关性能
• 4.5.1 软开关性能分析
• 4.5.2 软开关仿真分析
• 第五章 硬件电路的设计
• 5.1 硬件系统结构
• 5.2 主电路硬件设计
• 5.2.1 整流二极管
• 5.2.2 主器件功率MOSFET
• 5.2.3 驱动芯片HIP4081
• 5.2.4 高频变压器设计
• 5.3 信号检测单元设计
• 5.3.1 电压采样电路设计
• 5.3.2 电流采样电路设计
• 5.4 控制电路设计
• 5.4.1 FIFO产生相移控制信号
• 5.4.2 三相六桥臂直流变换器的驱动信号
• 5.5 控制芯片UCC3895外围电路设计
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表