燃料电池电力变换器的低频纹波电流抑制策略王勇1,谢小高2(1.三星电子综合技术研究院,韩国京畿道龙仁市446712;2.杭州电子科技大学自动化学院,浙江省杭州市310018)摘要:燃料电池电力变换器通常包括直—直及直—交2级变换器,而直—交变换器通常会产生2倍于输出频率的纹波电流并反向传播到燃料电池输出端。低频纹波电流会造成燃料电池系统的燃料浪费,减小电力变换器的输出能力,更重要的是减少燃料电池堆寿命,所以必须得到有效抑制。文中论述了燃料电池电力变换器纹波电流产生的机理及传播途径。在此基础上提出了一种能有效抑制电流纹波的新型控制器,并应用在一个1.2kW的质子交换膜燃料电池电力变换器样机上。实验证明该控制器能有效抑制电流纹波产生,并实现了电力变换器的指令电流控制。关键词:燃料电池;电力变换器;纹波;抑制;控制器中图分类号:TM46;TM911收稿日期:2008206201;修回日期:2008209216。0引言近年来,家庭用质子交换膜燃料电池系统越来越引起人们的关注[123]。在家庭用燃料电池系统中,燃料电池堆的输出电压通常低于100V,并输出大电流。所以必须用电力变换器来连接电池堆和负载,用来将电池堆的低直流电压变换到60Hz,120V/240V的交流电压。文献[426]介绍了一个由直—直及直—交组成的2级电力变换器系统。在线性负载下,直—交逆变器输出电感电流是正弦波,直流母线电压、电流均为直流分量,但是由于绝缘栅双极晶体管(IGBT)并联整流管的整流效应,使直流母线电流中含有120Hz纹波,纹波分量将通过直—直变换器继续向前传播,直到加入电池堆的输出电流,即直流变换器的输入电流。纹波电流不仅意味着电力变换器输出容量下降,同时意味着燃料的浪费。最严重的是,纹波电流还会严重影响电池堆的寿命[728]。1一种新颖的纹波电流抑制控制器本文提出一种新颖的纹波抑制控制器解决上述问题,并应用在由移相全桥及全桥逆变组成的2级电力变换器上。控制器首先包括一个直—直变换器的输入电流单环控制器。如图1所示,数字信号处理器(DSP)采样直—直变换器的输入电流Ifc,输入电流与电池堆输出电流指令I3fc比较并通过PI调节器后,输出脉宽调制(PWM)波驱动直—直变换器。同时,本文的控制器包含一个d2q旋转坐标控制器。逆变器输出电流IR经采样调理后,延迟90°得到一个正交分量II。IR和II经过d2q分解,得到d轴及q轴分量,同时,直流母线电压Vdc与参考电压差值经过PI调节器后的输出分量I3Rd叠加在d轴分量上,以控制直流母线电压稳定。叠加后的d轴及q轴分量通过d2q反变换后得到输出电流控制量IRout。再经过PWM,得到逆变器PWM驱动信号。图1纹波电流抑制控制器控制框图Fig.1Blockdiagramofripplecurrentsuppressingpowerconditioningsystem(PCS)controller1.1输入电流控制器分析通常,图1所示的直—直变换器由直流母线电压环控制,但是一个简单的电压环无法实现对电流的控制和跟踪。为了实现纹波电流抑制,文献[9]提出一种在直—直变换器的电压外环内增加一个直流母线电流内环的方法,来实现对电流的直接跟踪。本文提出了一种利用直流变换器输入端电流直接构成单电流环的控制策略,如图2所示。—68—第32卷第23期2008年12月10日Vol.32No.23Dec.10,2008图2直2直变换器输入电流控制环Fig.2DC2DCconverterinputcurrentcontrolloop在图2中,燃料电池输出电流即直—直变换器输入电流Ifc经采样后跟踪燃料电池系统指令电流I3fc,输出占空比D控制移相全桥。与文献[9]相比,通过这种方式能够更有效地抑制纹波,因为不是直流母线电流而是燃料电池输出电流被直接跟踪、控制,具有精确性、直接性。另外,采用单环控制,对纹波电流具有更快的动态响应。同时,没有了双环控制器间的耦合,控制器的参数、传递函数零极点配置也更容易实现针对低频纹波抑制的优化、整定。图2中移相全桥的输出控制传递函数可以由下式表示:GVD(s)=Vdc(s)D(s)=k1Vfck2s2+k3s+k4(1)式中:k1,k2,k3,k4是由变压器变比、漏电感、开关频率等决定的参数;Vfc为电池堆电压。控制对输入电流的传递函数为:D(s)=(Ifc(s)-I3fc(s))C1(s)(2)式中:C1(s)=kp1+ki1s(3)kp1和ki1分别为PI控制器比例及积分参数。所以Vdc可表示为:Vdc(s)=k1Vfc(Ifc(s)-I3fc(s))C1(s)k2s2+k3s+k4(4)式(4)表明,在...
