1KW可并网燃料电池逆变器的研究和开发

论文摘要

由于传统能源的枯竭、环境污染加剧和建设高品质电网的需要,人们越来越重视可再生能源与分布式能源系统的发展,而逆变器是分布式能源系统中不可或缺的重要装置。随着智能电网概念的提出,如何建造高质量、高可靠性、高效率的逆变装置,已经成为全球能源研究的热点。在各种分布式供电技术中,燃料电池以其高效、洁净等优点成为其中一个重要的发展方向,并已在航天、通讯基站、汽车及消费电子等领域中得到应用。本课题以某质子交换膜燃料电池发电系统为背景,开发与之相配套的1KW可并网的逆变系统,完成的主要工作如下:1.针对燃料电池的固有输出特性,设计了一种适用于低压宽幅输入的逆变器前级DC/DC变换器——Boost型推挽电路,并对这种电路的拓扑结构、工作原理和实现方法进行了详细的讨论;2.为了提高逆变器的转换效率,逆变全桥的驱动信号采用单极性倍频SPWM调制,并通过数字和模拟相结合的控制方式,实现了等效开关频率的增倍,在降低系统损耗的同时减少了逆变器的尺寸;3.现今的孤岛检测技术多种多样,本文设计了一种基于软件实现的综合了外部无源检测和内部有源主动移相的孤岛检测方法,该方法能够在保证检测实时性的前提下尽量较少并网波形失真。实验证明这种方法简单有效;4.在理论分析的基础上完成了一台1KW可并网燃料电池逆变器样机的搭建,经过华中科技大学某所近半年的现场运行,效率最高可达90%,验证了设计的正确性和实用性。此燃料电池逆变器已经成功应用于某1KW燃料电池并网发电系统中,各项指标符合设计要求,运行状态稳定,电气性能优良。该逆变器为低压大电流工况下的应用提供了一种理想解决方案

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 能源问题
• 1.2 新能源与分布式能源
• 1.3 燃料电池简介
• 1.3.1 质子交换膜燃料电池（PEMFC）
• 1.3.2 燃料电池并网发电系统
• 1.4 燃料电池逆变器的关键技术
• 1.5 本课题的主要研究工作
• 第2章 前级DC/DC变换器设计
• 2.1 逆变器的总体结构
• 2.2 前级 DC/DC 变换器的要求
• 2.3 几种常用的隔离式 DC/DC 变换器
• 2.4 Boost型推挽变换器
• 2.4.1 电路的提出
• 2.4.2 电路工作原理
• 2.4.3 实现中的问题
• 2.5 相关参数设计
• 2.5.1 磁性元件设计
• 2.5.1.1 高频变压器
• 2.5.1.2 扼流电感 L0
• 2.5.2 功率管选择和驱动设计
• 2.5.2.1 功率管选择
• 2.5.2.2 驱动设计
• 2.5.3 输入解耦电容
• 2.5.4 输出滤波电容
• 2.5.5 启动和能量回收电路
• 2.6 本章小结
• 第3章 DC/AC变换器设计
• 3.1 电路拓扑选择
• 3.2 SPWM调制方式
• 3.3 反馈控制方式
• 3.3.1 独立逆变和电压反馈控制
• 3.3.2 并网逆变和电流反馈控制
• 3.4 输出滤波器设计
• 3.4.1 输出滤波器设计
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 孤岛效应与孤岛保护
• 3.5.1 孤岛效应的提出
• 3.5.2 孤岛效应的危害
• 3.5.3 检测方法
• 3.5.3.1 内部无源检测法
• 3.5.3.2 内部有源检测法
• 3.5.3.3 设计中采用的检测方法
• 3.6 功率管选择和驱动设计
• 3.7 本章小结
• 第4章 燃料电池逆变器的研制
• 4.1 系统电路结构框图
• 4.2 逆变器控制电路设计
• 4.2.1 控制芯片介绍
• 4.2.2 参考正弦波产生电路
• 4.2.3 三角载波产生电路
• 4.2.4 采样系统设计
• 4.2.4.1 输入电流采样
• 4.2.4.2 直流母线电压采样
• 4.2.4.3 输出电流/电压采样
• 4.2.5 反馈网络
• 4.2.6 单极性倍频SPWM调制
• 4.3 其他硬件电路设计
• 4.3.1 保护模块
• 4.3.2 人机交互界面
• 4.4 逆变器的软件系统
• 4.4.1 控制程序流程图
• 4.4.2 软启动
• 4.4.2.1 Boost型推挽电路的软启动
• 4.4.2.2 DC/AC逆变全桥的软启动
• 4.4.3 采样系统
• 4.4.4 故障检测
• 4.4.5 通讯接口
• 4.5 本章小结
• 第5章 实验结果分析
• 5.1 独立逆变模式
• 5.2 并网逆变模式
• 5.3 详细保护参数
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 本课题所作的工作
• 6.2 未来工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文和申请专利