一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器及方法技术

本发明专利技术公开了一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器及方法，包括燃料电池、DC/DC升压变换电路、DC/AC逆变电路、负载、EPLD脉冲发生器、电压控制器、检测电路和电流纹波控制器；DC/AC逆变电路输出电压采样值、输出电流值、相位值、频率值、DC/DC升压变换电路的输出电压值、燃料电池输出电压组成电压外环控制；燃料电池输出电流与DC/DC升压变换电路的输出电压值组成电流纹波内环控制；本发明专利技术在功率变换控制器的DC/DC升压变换电路中加入有源钳位推挽式电路和全桥整流电路，通过电流纹波内环控制与电压外环控制调整DC/DC升压变换电路中的功率管占空比，进而有效的抑制输入低频电流纹波，减少电流纹波对燃料电池性能的影响，提高燃料电池寿命，应用前景较好。

【技术实现步骤摘要】
一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器及方法
本专利技术涉及一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器及方法，具体涉及一种将燃料电池产生的直流电通过功率变换控制器，转换成供负载使用的交流电或并网发电，属于新能源燃料电池发电技术、电力电子技术和控制

技术介绍
能源危机和环境污染两大问题是当今世界面临的两大难题，我国在近几十年投入了大量的人力、物力和财力在新能源发电技术上，许多高校、研究院和大型公司着力于研究、开发解决新能源发电的各项技术难题。太阳能、风能、核能、潮汐能、地热能和生物质能发电、燃料电池发电等新能源发电得到飞跃的发展。其中燃料电池发电作为新型发电技术，主要以消耗氢能或者燃料中的化学能为基础，将化学能转为电能的装置，不仅可以克服太阳能伴随的间歇性、风能的随机性和核能发电的不安全性等缺点，可以作为移动发电装置广泛应用于移动汽车或者发电站中，还可以作为其他新能源发电的补偿，在用电高峰时减少其他新能源发电的负担。燃料电池发出的为低电压和大电流直流电，需要功率变换控制器将燃料电池与负载或电网连接起来。通过功率变换控制器将低电压、大电流的直流电转换为满足负载使用的直流电或交流电，或者满足并网要求的交流电。功率变换控制器是实现燃料电池与负载之间、市电电网之间能量的传递与转换的关键环节。燃料电池寿命和性能受工作温度、湿度、燃料流量、空气或氧化剂、负载波动大小、低频电流纹波等因素影响，目前的燃料电池工作寿命问题是一个重要的研究课题，其中低频电流纹波会在燃料电池发电中主要会引起燃料利用率降低、输出特性变差和缩短燃料电池寿命三个问题。因此，功率变换控制器的设计与开发，需要考虑的技术问题有：第一，当燃料电池作为发电来源时，不同于普通电池工作原理，燃料电池是一种将燃料中的化学能直接转化为直流电的电化学能量装置，是一种输出电压低，电流较大的直流电源，不太符合直接给负载供电的要求，因此需要将燃料电池进行升压至合理范围，以满足负载使用。第二，在满足负载使用后，由于燃料电池的工作状态、工作压力、温度、反应物流量、反应物湿度、电流纹波等工作条件都会影响燃料电池本身性能和寿命，电池外特性较软，因此除了让燃料电池正常工作在合适的温度、湿度、压力、流量等条件下，还应当尽可能提高燃料电池的使用效率和使用寿命，研究表明，输入低频电流纹波对燃料电池的输出电压、燃料利用率和使用寿命有很大的影响。为提高燃料电池发电系统的寿命，应当减少输入低频电流纹波对燃料电池本身的伤害。因此，设计一种满足上述技术要求的体积小、成本低，功耗低、效率高、安全可靠性高、使用寿命长且能一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，并采用先进的控制技术方法是发展趋势。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，它适用于燃料电池发电系统，针对现有燃料电池功率变换控制器输出低频电流纹波较高，减少低频电流纹波对燃料电池本身寿命和性能等影响，同时具备成本低，功耗低、效率高、安全可靠性高、使用寿命长等特点。本专利技术通过以下的技术方案予以实现：一种减少燃料电池电流纹波的功率变换控制器，包括燃料电池、DC/DC升压变换电路、DC/AC逆变电路、负载、EPLD脉冲发生器、电压控制器、检测电路和电流纹波控制器；所述燃料电池、DC/DC升压变换电路、DC/AC逆变电路和负载依次串联，所述EPLD脉冲发生器的输出端与DC/DC升压变换电路的输入端连接，所述EPLD脉冲发生器的输入端与电流纹波控制器的输出端连接，所述电压控制器的输入端与检测电路的输出端连接，所述电压控制器的输出端与电流纹波控制器的输入端连接，所述检测电路的输入端分别与燃料电池的输出端、DC/DC升压变换电路的输出端、DC/AC逆变电路的输出端连接，所述检测电路的输出端分别与电压控制器的输入端、电流纹波控制器的输入端连接。所述DC/DC升压变换电路包括输入侧滤波电容C1、输入侧滤波电感L1、高频变压器T1、第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第二电感L2、第三电感L3、第四电解电容C4、第五电解电容C5；所述输入侧滤波电容C1的正极端分别连接燃料电池的正极、输入侧滤波电感L1的一端，所述输入侧滤波电容C1的负极端接地，所述输入侧滤波电感L1的另一端连接高频变压器T1的原边绕组中心抽头，所述第一功率管S1的集电极和第三功率管S3的发射极分别连接高频变压器T1原边绕组N1的同名端，所述第三功率管S3的集电极连接第二电容C2的一端，所述第二电容C2的另一端连接第一功率管S1的发射极并接地，所述第二功率管S2的集电极和第四功率管S4的发射极分别连接高频变压器T1原边绕组N1的非同名端，所述第四功率管S4的集电极连接第三电容C3的一端，所述第三电容C3的另一端连接第二功率管S2的发射极并接地；所述第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极分别连接高频变压器T1的副边绕组N2同名端，所述第三二极管D3的阳极和第四二极管D4的阴极分别连接高频变压器T1的副边绕组N2非同名端，所述第三二极管D3的阴极和第一二极管D1的阴极分别连接第二电感L2的一端，所述第二二极管D2的阳极和第四二极管D4的阳极分别连接第三电感L3的一端，所述第四电解电容C4的正极端连接第二电感L2的另一端，所述第五电解电容C5的负极端连接第三电感L3的另一端，所述第四电解电容C4的负极端与第五电解电容C5的正极端连接后再与高频变压器T1的副边绕组中心抽头连接组成N零线端，所述第四电解电容C4的正极端输出正的直流电压，所述第五电解电容C5的负极端输出负的直流电压。所述DC/AC逆变电路包括第五功率管S5、第六功率管S6、第四电感L4第六电容C6；所述第五功率管S5的集电极连接DC/DC升压变换电路的第四电解电容C4的正极端，所述第六功率管S6的发射极连接DC/DC升压变换电路的第五电解电容C5的负极端，所述第五功率管S5的发射极和第六功率管S6的集电极分别连接第四电感L4的一端，所述第六电容C6的一端连接第四电感L4的另一端，所述第六电容的另一端连接DC/DC升压变换电路的N零线端。所述第一功率管S1、第二功率管S2、第三功率管S3、第四功率管S4均采用MOSFET功率开关管，且第三功率管S3和第四功率管S4为零电压ZVS开通/关断。所述第五功率管S5、第六功率管S6均采用MOSFET功率开关管，所述功率变换控制器通过对有源钳位推挽式升压变换器和半桥式逆变电路采用脉冲宽度调制(PWM)控制和正弦脉宽调制(SPWM)，将燃料电池具有输出低电压、大电流特性的直流电升压到正负直流电压±VBUS，并通过半桥逆变电路逆变成交流电流供负载使用。所述检测电路内设有一个减法器Ⅰ，所述电流纹波控制器中设有一个加法器、一个比例(P)控制器、一个减法器Ⅱ和一个减法器Ⅲ；所述减法器Ⅰ的两个负输入端分别连接DC/DC变换器的正输出电压值和负输出电压值，所述减法器Ⅰ的正输入端连接DC/DC变换器的基准正负电压值，所述减法器Ⅰ的输出端连接电压控制器的输入端，所述减法器Ⅱ的正输入端和负输入端分别连接燃料电池的输出电流有效值和输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，其特征在于，包括燃料电池(1)、DC/DC升压变换电路(2)、DC/AC逆变电路(3)、负载(4)、EPLD脉冲发生器(5)、电压控制器(6)、检测电路(7)和电流纹波控制器(8)；所述燃料电池(1)、DC/DC升压变换电路(2)、DC/AC逆变电路(3)和负载(4)依次串联，所述EPLD脉冲发生器(5)的输出端与DC/DC升压变换电路(2)的输入端连接，所述EPLD脉冲发生器(5)的输入端与电流纹波控制器(8)的输出端连接，所述电压控制器(6)的输入端与检测电路(7)的输出端连接，所述电压控制器(6)的输出端与电流纹波控制器(8)的输入端连接，所述检测电路(7)的输入端分别与燃料电池(1)的输出端、DC/DC升压变换电路(2)的输出端、DC/AC逆变电路(3)的输出端连接，所述检测电路(7)的输出端分别与电压控制器(6)的输入端、电流纹波控制器(8)的输入端连接。

【技术特征摘要】
1.一种减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，其特征在于，包括燃料电池(1)、DC/DC升压变换电路(2)、DC/AC逆变电路(3)、负载(4)、EPLD脉冲发生器(5)、电压控制器(6)、检测电路(7)和电流纹波控制器(8)；所述燃料电池(1)、DC/DC升压变换电路(2)、DC/AC逆变电路(3)和负载(4)依次串联，所述EPLD脉冲发生器(5)的输出端与DC/DC升压变换电路(2)的输入端连接，所述EPLD脉冲发生器(5)的输入端与电流纹波控制器(8)的输出端连接，所述电压控制器(6)的输入端与检测电路(7)的输出端连接，所述电压控制器(6)的输出端与电流纹波控制器(8)的输入端连接，所述检测电路(7)的输入端分别与燃料电池(1)的输出端、DC/DC升压变换电路(2)的输出端、DC/AC逆变电路(3)的输出端连接，所述检测电路(7)的输出端分别与电压控制器(6)的输入端、电流纹波控制器(8)的输入端连接。2.根据权利要求1所述的减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，其特征在于：所述DC/DC升压变换电路(2)包括输入侧滤波电容(C1)、输入侧滤波电感(L1)、高频变压器(T1)、第一功率管(S1)、第二功率管(S2)、第三功率管(S3)、第四功率管(S4)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第二电感(L2)、第三电感(L3)、第四电解电容(C4)、第五电解电容(C5)；所述输入侧滤波电容(C1)的正极端分别连接燃料电池(1)的正极、输入侧滤波电感(L1)的一端，所述输入侧滤波电容(C1)的负极端接地，所述输入侧滤波电感(L1)的另一端连接高频变压器(T1)的原边绕组中心抽头，所述第一功率管(S1)的集电极和第三功率管(S3)的发射极分别连接高频变压器(T1)原边绕组N1的同名端，所述第三功率管(S3)的集电极连接第二电容(C2)的一端，所述第二电容(C2)的另一端连接第一功率管(S1)的发射极并接地，所述第二功率管(S2)的集电极和第四功率管(S4)的发射极分别连接高频变压器(T1)原边绕组N1的非同名端，所述第四功率管(S4)的集电极连接第三电容(C3)的一端，所述第三电容(C3)的另一端连接第二功率管(S2)的发射极并接地；所述第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极分别连接高频变压器(T1)的副边绕组N2同名端，所述第三二极管(D3)的阳极和第四二极管(D4)的阴极分别连接高频变压器(T1)的副边绕组N2非同名端，所述第三二极管(D3)的阴极和第一二极管(D1)的阴极分别连接第二电感(L2)的一端，所述第二二极管(D2)的阳极和第四二极管(D4)的阳极分别连接第三电感(L3)的一端，所述第四电解电容(C4)的正极端连接第二电感(L2)的另一端，所述第五电解电容(C5)的负极端连接第三电感(L3)的另一端，所述第四电解电容(C4)的负极端与第五电解电容(C5)的正极端连接后再与高频变压器(T1)的副边绕组中心抽头连接组成N零线端，所述第四电解电容(C4)的正极端输出正的直流电压，所述第五电解电容(C5)的负极端输出负的直流电压。3.根据权利要求1所述的减少燃料电池低频电流纹波的功率变换控制器，其特征在于：所述DC/AC逆变电路(3)包括第五功率管(S5)、第六功率管(S6)、第四电感(L4)第六电容(C6)；所述第五功率管(S5)的集电极连接DC/DC升压变换电路(2)的第四电解电容(C4)的正极端，所述第六功率管(S6)的发射极连接DC/DC升压变换电路(2)的第五电解...

【专利技术属性】
技术研发人员：詹跃东，朱小清，李莉，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南,53