燃料电池可并网逆变器的研发

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燃料电池具有能量转换效率高、环境友好等优点,备受世界各国的重视,被认为是21世纪首选的洁净、高效的发电技术。目前,燃料电池的应用主要是以分布式发电系统的形式接入电网,并网逆变器是分布式发电系统的核心部件,其稳定性、可靠性以及效率往往决定了整个分布式发电系统的性能。现阶段,对并网逆变器的研究主要集中在优化拓扑结构和改进控制技术。逆变器的拓扑结构影响着整个系统的效率和稳定性;控制技术主要采用并网电流闭环控制技术,要求并网电流能实时跟踪电网电压的频率、相位,且对电流的总畸变有要求,以减小输入电网的谐波含量,同时并网逆变器要能以单位功率因数向电网馈送电能。本论文以BALLARD NexaTM燃料电池系统为实验平台,设计了一款能工作于独立发电和并网发电两种工作状态的逆变器,该逆变器可以分成前级DC/DC升压变换器、后级DC/AC逆变器和控制系统三个部分。本论文根据燃料电池的固有输出特性,采用了一种适用于低压宽幅输入的DC/DC变换器——推挽正激变换器,并对该变换器的拓扑结构、工作原理作了详细的说明;后级DC/AC采用SPWM调制方式作为驱动的全桥逆变。逆变器工作在独立逆变模式时,采用电压闭环控制,以保障负载的可靠运行;在并网逆变模式时,采用电流闭环控制,将燃料电池产生的电能以单位功率因素馈送到电网。本论文采用适用于小功率并网逆变器的孤岛检测方法——被动式孤岛检测,根据电网电压和电网频率来判定孤岛状态,触发孤岛保护。并在理论分析的基础上完成了一台1kW可并网逆变器样机。实验表明,本论文设计的逆变器样机运行良好,各项指标均符合设计要求,验证了理论分析的正确性。本论文为中小型功率的燃料电池分布式发电系统提供了一种解决方案。
摘要第6-7页
ABSTRACT第7-8页
第1章 绪论第12-17页
    1.1 研究背景及意义第12-13页
        1.1.1 能源与环境问题第12页
        1.1.2 新能源及应用第12-13页
    1.2 国内外研究现状第13-15页
        1.2.1 燃料电池系统研究现状第13-14页
        1.2.2 分布式发电系统研究现状第14-15页
    1.3 并网逆变器的关键技术第15-16页
    1.4 本论文的主要研究内容第16-17页
第2章 燃料电池分布式发电系统介绍第17-27页
    2.1 质子交换膜燃料电池第17-21页
        2.1.1 质子交换膜燃料电池概述第17-19页
        2.1.2 BALLARD燃料电池系统概述第19-21页
    2.2 燃料电池并网发电系统第21-25页
        2.2.1 燃料电池并网发电系统概述第21-22页
        2.2.2 分布式发电系统并网标准第22-23页
        2.2.3 分布式发电系统并网原理第23-25页
    2.3 设计指标及总体结构第25-26页
        2.3.1 主要技术指标第25页
        2.3.2 逆变器拓扑结构第25-26页
    2.4 本章小结第26-27页
第3章 前级DC/DC变换器设计第27-48页
    3.1 前级DC/DC功能要求第27-28页
    3.2 常用的隔离式DC/DC第28-30页
    3.3 推挽正激变换器第30-38页
        3.3.1 电路的提出第30-31页
        3.3.2 变换器工作特点第31-32页
        3.3.3 变换器工作原理第32-38页
        3.3.4 变换器设计第38页
    3.4 相关元件设计第38-44页
        3.4.1 变压器设计第38-40页
        3.4.2 输入滤波器设计第40-41页
        3.4.3 输出滤波器设计第41-43页
        3.4.4 主要元器件选取第43-44页
    3.5 驱动电路设计第44-47页
        3.5.1 SG3525介绍第44-45页
        3.5.2 电路设计第45-47页
    3.6 本章小结第47-48页
第4章 后级DC/AC逆变器设计第48-62页
    4.1 电路拓扑选择第48-50页
        4.1.1 逆变器结构分类第48-50页
        4.1.2 逆变器结构设计第50页
    4.2 SPWM调制方式第50-52页
    4.3 反馈控制方式第52-55页
        4.3.1 PI控制系统第52-54页
        4.3.2 独立逆变和电压反馈控制第54页
        4.3.3 并网逆变和电流反馈控制第54-55页
    4.4 输出滤波器设计第55-57页
    4.5 孤岛效应第57-59页
        4.5.1 孤岛效应的介绍第57页
        4.5.2 孤岛效应的危害第57-58页
        4.5.3 孤岛效应的检测方法第58-59页
    4.6 驱动电路设计第59-61页
        4.6.1 IR2104介绍第59-60页
        4.6.2 电路设计第60-61页
    4.7 本章小结第61-62页
第5章 逆变器控制系统设计第62-73页
    5.1 控制系统结构框图第62页
    5.2 控制系统电路设计第62-67页
        5.2.1 控制芯片介绍第62-64页
        5.2.2 采样电路第64-67页
    5.3 软件设计第67-72页
        5.3.1 逆变器状态机第67-70页
        5.3.2 控制环设计第70-72页
        5.3.3 保护设计第72页
    5.4 本章小结第72-73页
第6章 试验结果及分析第73-77页
    6.1 工作情况概述第73-74页
    6.2 工作效率第74-75页
    6.3 并网工作分析第75-76页
    6.4 本章小结第76-77页
结论与展望第77-78页
致谢第78-79页
参考文献第79-82页
附录1 逆变器PCB图及实物图第82-83页
攻读硕士学位期间发表的论文第83页
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