基于燃料电池供电系统的三电平双向变换器研究

论文摘要

燃料电池能量转换效率高,污染小,适用性强,被誉为继水力、火力、核能之后第四代发电装置。在燃料电池供电系统中,一般加入储能元件和双向变换器来辅助供电,以提高整个系统的动态性能。双向变换器的动态响应将直接影响到燃料电池供电系统的动态性能。本文从电路拓扑和控制方式两方面来讨论双向变换器的设计,并提出在两端“源”的场合下双向变换器的软起动方法。在电路拓扑方面,论文将三电平结构引入到两电平Buck-Boost双向变换器中,得到三电平Buck-Boost双向变换器（以下简称三电平双向变换器）,其优点是电感可以大大减小,有利于提高变换器的动态响应。论文分析三电平双向变换器的工作原理、电路特性和参数设计,并研制一台1kW的原理样机进行实验验证。在控制电路方面,论文介绍PWM控制的边带效应,引入多频域模型分析两电平双向变换器和三电平双向变换器的控制环路带宽。由于边带效应的存在,两电平双向变换器的带宽最高只能到开关频率的二分之一,而三电平双向变换器中PWM交错控制可以消除边带频率fs-fp的边带效应,该变换器的带宽最高可以达到开关频率,是两电平双向变换器的两倍,因此三电平双向变换器具有更好的动态响应。论文通过仿真分析和对比,验证三电平双向变换器的动态特性好于两电平双向变换器。在燃料电池供电系统中,双向变换器工作在两端“源”的场合下,传统软起动方法将会导致反向电流出现,并因此损坏变换器。论文提出一种新颖的两段式软起动方法,它分两个阶段分别让主控管和被控管的占空比从零开始逐渐增加,有效防止反向电流的出现。将该方法分别应用到两电平和三电平双向变换器中,并进行实验验证,实验结果表明该方法是有效的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 燃料电池
• 1.1.1 燃料电池的优点
• 1.1.2 燃料电池的应用
• 1.2 燃料电池供电系统的架构
• 1.3 双向变换器
• 1.3.1 双向变换器的特点
• 1.3.2 双向变换器的拓扑结构
• 1.4 本文研究内容
• 1.5 本文研究的意义
• 第二章 三电平双向变换器
• 2.1 引言
• 2.2 三电平双向变换器的工作原理
• 2.3 三电平双向变换器的特性
• 2.3.1 输入输出电压关系
• 2.3.2 电感
• 2.3.3 开关管电压应力
• 2.4 参数设计
• 2.4.1 功率管的选择
• 2.4.2 电感的计算
• L 的计算'>2.4.3 C_L的计算
• H 的计算'>2.4.4 C_H的计算
• fly 的计算'>2.4.5 飞跨电容C_fly的计算
• 2.5 实验验证
• 2.6 本章小结
• 第三章 三电平双向变换器的控制环路带宽研究
• 3.1 引言
• 3.2 两电平双向变换器的多频域模型和控制环路带宽
• 3.2.1 两电平双向变换器开环控制的边带效应
• 3.2.2 两电平双向变换器闭环控制的边带效应
• 3.2.3 两电平双向变换器的多频域模型
• 3.2.4 两电平双向变换器的控制环路带宽
• 3.3 三电平双向变换器的控制环路带宽
• 3.3.1 三电平双向变换器的小信号平均模型
• 3.3.2 三电平双向变换器的多频域模型
• 3.3.3 三电平双向变换器的控制环路带宽
• 3.4 本章小结
• 第四章 双向变换器的两段式软起动方法
• 4.1 引言
• 4.2 传统软起动存在的问题
• 4.3 被控管延时驱动方法
• 4.4 两段式软起动方法的原理与电路实现
• 4.4.1 方法1
• 4.4.2 方法2
• 4.5 实验验证
• 4.6 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 本文小结
• 5.2 下一步工作
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间所发表的论文及参与完成的科研项目