【摘 要】
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燃料电池作为一种新型可再生能源发电装置,具有效率高、清洁、体积小和能量密度高等特点,因而在分布式能源系统中具有极大的发展潜力。其中,基于燃料电池的户用氢储能系统通过光伏制氢储能并用于家庭供电,使偏远地区家庭充分利用新能源成为可能。但是,由于燃料电池存在输出特性软的问题,不利于其直接给负载提供能量,因而需要DC/DC变换器来稳定输出电压并调节输出功率。户用氢储能系统中燃料电池工作在低压大电流场景下,
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燃料电池作为一种新型可再生能源发电装置,具有效率高、清洁、体积小和能量密度高等特点,因而在分布式能源系统中具有极大的发展潜力。其中,基于燃料电池的户用氢储能系统通过光伏制氢储能并用于家庭供电,使偏远地区家庭充分利用新能源成为可能。但是,由于燃料电池存在输出特性软的问题,不利于其直接给负载提供能量,因而需要DC/DC变换器来稳定输出电压并调节输出功率。户用氢储能系统中燃料电池工作在低压大电流场景下,较大的电流纹波将严重影响燃料电池寿命需对其进行抑制;同时,该系统电压等级较多需提供一定的电气隔离对燃料电池进行保护。针对上述问题,本文提出了一种适用于户用氢储能系统的燃料DC/DC变换器拓扑,并对其控制策略进行了研究。本文的主要研究工作和创新如下:1)针对户用氢储能系统中燃料电池工作的低压大电流场景,提出了一种两级式交错并联燃料电池DC/DC变换器拓扑。变换器前级采用四相交错并联Boost结构实现宽电压范围输入并抑制输入电流纹波;后级采用三相交错并联LLC结构可实现高效率且提供电气隔离,并抑制输出电压和输出电流纹波。2)由于四相交错并联Boost变换器存在右半平面零点导致动态性能差甚至不稳定的问题,针对常规PI控制器设计方法存在无法综合多个性能指标进行参数优化的问题,本文设计了一种基于D分割法的控制器;为进一步提高变换器的抗干扰性,设计了一种基于自抗扰控制的控制器。3)分析了不同谐振参数各相间不一致对于三相交错并联LLC变换器均流效果的影响,其中谐振电感和谐振电容不一致会使三相交错并联LLC变换器出现显著不均流;针对典型均流控制方法存在控制复杂、成本高和通用性差等问题,研究了一种基于共模电感的均流控制方法,分析了其工作原理和共模电感大小对均流效果的影响。4)搭建了一个2k W燃料电池DC/DC变换器的实验平台,通过实验验证了基于D分割法的控制器设计方法和基于共模电感的均流控制方法的可行性和有效性。
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