pemfc发电机三相恒频恒压逆变方案研究

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1、第31卷第5期华北水利水电学院学报V01．31No．52010年l0月JournalofNorthChinaInstituteofWaterConservancyandHydroelectricPower0ct．2010文章编号：1002—5634(2010)05—0084—06PEMFC发电机三相恒频恒压逆变方案研究王巍，王金全，陈向锋，郭香静(1．解放军理工大学工程兵工程学院，江苏南京210007；2．郑州航空工业管理学院，河南郑州450000)摘要：介绍了基于质子交换膜燃料电池(PEMFC)的氢能

2、发电机输出特性，为将PEMFC发出的直流电变换为交流电，提出了高低频两种PEMFC专用逆变器三相恒频恒压方案，并通过Matlab进行仿真，经比较分析仿真结果得出了基于DC／DC和DC／AC的单相高频逆变方案是最佳选择的结论．关键词：PEMFC；三相恒频恒压；逆变器；Matlab中图分类号：TM911．4；TM31文献标志码：A以质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMem—PEMFC发电机输出特性的逆变方案．braneFuelCells，PEMFC)为主体的氢能发电机具有1PEMFC氢能发电机

3、动态特性及其无污染、高效率、无噪声以及能够连续工作和模块化运行模型的特点，特别是具有不受卡诺循环限制、工作温度低、热辐射小等优点，在军用和民用领域都具有十分1．1PEMFC发电机电气特性广阔的应用前景．由于PEMFC发出的是变化范实验测得发电机的动态电压输出特性如图围较大的直流电，而实际中的用电负荷以及发电机1、图2所示．从测得的动态电压波形可知，PEMFC并网均需要恒频恒压的交流电．为解决氢能电源本发电机输出电压随负载改变而剧烈变化．减小负载体与用电端需求之间的矛盾，笔者根据5kW氢能时电压升高的速度

4、较快，增大负载时电压快速跌落，发电机样机实测的负载特性提出了两种逆变方案，然后升高且有波动．通过Matlab／Simulink进行仿真研究，确定了适合于lo09O908O毒80苗7070606050012345时间／s图1突减直流负载(从4．00kW到空载)曲线图2突增直流负载(从空载到4．07kW)曲线鉴于PEMFC极其特殊的输出特性，通用逆变和运行3种情况下的等效电气模型．文中主要是针装置在实际应用中表现出非线性负载能力差，重载对动态过程的研究，这里主要介绍运行模型：一阶线时电压跌落严重等缺陷，不能

5、满足交流侧恒频恒压性RC模型和RL模型，如图3、图4所示(虚线框内的要求．因此，研究适合于PEMFC发电机输出特性为电源模型)．通过反演仿真，可以定性得出结的逆变方案具有重要的理论意义和应用价值．论：采用RC模型可以等效PEMFC发电机突减负载1．2PEMFC发电机运行模型的情况，RL模型可以等效突增负载的情况．当PEMFC作为电源时，应主要考虑启动、停机收稿日期：2010～05—30作者简介：王巍(1986一)，男，河南南召人，硕士研究生，主要从事电力电子、可靠性分析等方面的研究第31卷第5期王巍，等

6、：PEMFC发电机三相恒频恒压逆变方案研究85L⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一图3PEMFC发电机线性RC电路模型图4PEMFC发电机线性RL电路模型和调整电压比的变压器工作频率均等于输出电压频2三相恒频恒压逆变方案研究率，故称为低频环节逆变器．其中，方波逆变器结构根据逆变器所采用的隔离变压器工作频率不同，简单，变换效率高，技术成熟，但体积过大，输出电压DC／AC逆变技术可分为低频和高频两大类，故PEM-波形畸变率高；阶梯波合成逆变器畸变率低，但拓扑FC逆变系统也可采用两种方案进行实现：一是采用结构复杂，开关器件过多

7、；而脉宽调制逆变器采用正低频逆变技术将PEMFC的直流输出逆变为380V的弦参考波与高频三角形载波相交生成的正弦脉宽调三相交流电；二是采用高频逆变技术通过前级DC／DC制信号来控制驱动逆变桥的功率开关，逆变器可以直流变换器将PEMFC直流输出变换成380V直流输出谐波含量小的正弦脉宽调制电压，如果合理地电，再通过工频逆变器将380V的直流电压逆变为解决功率器件的高频开关损耗，那么脉宽调制逆变220V的三相交流电，最后通过工频变压器将220V器将同时兼有方波逆变器和阶梯波合成逆变器的优的三相交流电升压至3

8、80V．本节在已建立的PEMFC点，是一种较好的方案．低频逆变方案的电路结构如电气模型的基础上进行仿真，以便确定适合于PEM—图5所示．FC发电机的三相恒频恒压逆变方案．2．1．2低频逆变方案仿真2．1低频逆变方案研究根据低频逆变电路结构可建立低频逆变方案仿2．1．1低频逆变电路结构真电路如图6所示：电气隔离采用变压器隔离，负载低频环节逆变技术主要包括方波、阶梯波合成、为三相阻感性负载，控制策略采用典型的电压外环、脉宽调制逆变器．这三种逆变