CN201285778Y - 一种燃料电池的功率转换调节装置 - Google Patents

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王振民
陈意庭
李鹏
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Abstract

本实用新型为一种燃料电池的功率转换调节装置，包括主电路和反馈控制电路；主电路由IGBT逆变模块、功率变压模块和滤波模块依次连接组成，其中IGBT逆变模块与燃料电池子***相连接，滤波模块与负载相连接；反馈控制电路包括瞬时电流电压检测模块、比较器、DSP控制***模块和IGBT驱动模块，其中，瞬时电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，比较器的输出端与DSP控制***模块相连接，DSP控制***模块与IGBT驱动模块相连接，IGBT驱动模块与IGBT逆变模块相连接。本实用新型利用了DSP控制的全数字化硬件和软件***，操作简便，易于实现智能化，可靠性高、效率高、重量轻、成本低。

Description

一种燃料电池的功率转换调节装置
技术领域
本实用新型涉及新能源电力电子技术领域，特别涉及一种将分布式燃料电池电站产生的直流电转换、调节以得到稳定输出的三相正弦波交流电和并网的技术。
背景技术
燃料电池是21世纪广为关注的新能源和可再生能源发电装置。燃料电池输出的直流电范围比较宽、电压比较低、输出特性软，必须经过功率调节***关键技术，将其变换成稳定输出的三相正弦波交流电，才能为一般的工业和生活电力使用，同时还可以与电力网进行***联接，以解决电力紧张和环境污染问题。
一般来说，对于与电力网联接运行的分布式燃料电池电站，必须达到以下要求：
1、保证分布式电站与电力网的事故不互相波及，分布式电站应具有事故隔离、保护功能；
2、抑制分布式电站的***联接引起的配电线的电压变化和使用逆变器的分布式电站产生的高次谐波电流，以保持电网的供电品质不受影响；
3、电网因故障而中断时，必须准确、可靠、及时地检测出分布式电站单独运转状态，并采取保护措施，以免产生人员、设备损坏。
但就目前国内外很多大学和研究机构对燃料电池功率调节***的研究成果来说，还存在许多需要解决的问题，特别是对于***中的逆变核心技术，***的可靠性、供电质量，数字化和智能化等问题，都是燃料电池调节***急待解决的。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种基于DSP控制的功率转换调节***装置。该***装置借助DSP全数字化快速运算，实现高速高精度的功率转换与调节，使得在独立运转方式下，功率转换调节***能维持稳定的、“干净的”、具有良好动态特性的电能；在并网运转方式下，功率调节***能具有电功率矢量控制功能，可以单独控制有功功率和无功功率的输出，以维持电网电压的稳定和安全。
为实现本实用新型的目的采用如下技术方案：一种燃料电池的功率转换调节装置，分别连接燃料电池子***和负载，其特征是，包括主电路和反馈控制电路；所述主电路由IGBT逆变模块、功率变压模块和滤波模块依次连接组成，其中IGBT逆变模块与燃料电池子***相连接，滤波模块与负载相连接；所述反馈控制电路包括瞬时电流电压检测模块、比较器、DSP控制***模块和IGBT驱动模块，其中，瞬时电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述比较器的输出端与DSP控制***模块相连接，所述DSP控制***模块与IGBT驱动模块相连接，IGBT驱动模块与IGBT逆变模块相连接。
为了更好地实现本实用新型，所述IGBT逆变模块主要由三相电压型桥式逆变电路及其***电路组成。
所述功率变压模块是指带隔离变压器的逆变器。
所述滤波模块是指LC滤波电路。
所述瞬时电流电压检测模块主要由电流传感器和电压传感器组成。
所述DSP控制***模块主要由TMS320F2812芯片及其***电路组成。
所述IGBT驱动模块主要由SCALE驱动板及其***电路组成。
所述IGBT驱动模块还包括输入保护电路；所述输入保护电路由二极管、电阻和电容相互连接组成。
所述IGBT驱动模块还包括电源保护电路；所述电源保护电路由二极管、电容和熔断器相互连接组成。
所述IGBT驱动模块还包括复位电路；所述复位电路由二极管、三极管、电阻和电容相互连接组成。
本实用新型的设计原理是这样的：针对燃料电池输出直流电压较低，范围较宽，且随着温度、输出电流等内外条件变动而变化的特点，功率转换调节***需要具备稳定电压、频率和逆变出三相交流电的功能。燃料电池电站的用户也可能是各种非线性负荷，电站交流母线电压与供电***的状态呈现复杂的非线性关系，同时燃料电池电站功率转换调节***的主要功能模块是一个三相逆变器，它本质上是一个非线性模块，因此，为了得到电站***的稳定控制，功率调节***需要采用非线性***控制策略。燃料电池电站独立运行时需要功率调节***自己维持一定的输出电压和频率，因此，采用具有响应快、抗干扰、实现简单的优点的滑膜控制策略对功率转换调节***进行输出波形控制；燃料电池与电网***联接运行时，逆变过程中的非线性以及***的负荷复杂性和负荷波动的随机性等非线性因素，逆变器会产生高次谐波以及电力网的电压波动、三相不平衡等问题，需要功率调节***采用电功率矢量控制无功电流，抑制电力网的电压波动，三相不平衡和谐波污染，同时通过有功功率控制电压相角变化，保证电力供给的可靠性和良好品质。
相对于现有技术，本实用新型的主要优点和有益效果是：
1、本实用新型采用DSP全数字化高速控制的三相功率转换调节***，可靠性好，快速、精确、效率高，结构简单、体积小、成本低，而且随着输入功率增大，***的转换效率升高，损耗下降，负载持续稳定。
2、本实用新型的控制核心采用DSP控制的全数字化逆变技术，***升级方便，易于实现参数的协同控制，控制电路集成程度高、一致性好、易于标准化，智能化程度高、操作简单、快捷。
3、本实用新型采用带有瞬时值反馈的数字化逆变控制技术，***的动态性能优良，控制精度高，波形干净、稳定，独立运行时，电站***输出具有0.93的功率因数，并网达到接近1.0的高功率因素。
4、本实用新型能根据燃料电池的使用方式进行选择合适的控制策略，可以作为便携式电源直接为用户使用，可以与电力网联接进行并网使用，以稳定电网波动。
附图说明
图1是本实用新型燃料电池的功率转换调节装置的结构方框图；
图2是本实用新型燃料电池的功率转换调节装置的IGBT逆变模块的电路原理图；
图3是本实用新型燃料电池的功率转换调节装置的IGBT驱动模块的电路原理图；
图4是图3的IGBT驱动模块的输入保护电路原理图；
图5是图3的IGBT驱动模块的电源保护电路原理图；
图6是图3的IGBT驱动模块的复位电路原理图；
图7是本实用新型燃料电池的功率转换调节装置的DSP控制***模块的结构方框图；
图8是图7的DSP控制***模块的程序流程图；
图9是本实用新型燃料电池的功率转换调节装置的电压瞬时值反馈控制电路原理图；
图10是图9的电压瞬时值反馈控制电路的控制方法示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。
如图1所示，本实用新型一种燃料电池的功率转换调节装置包括主电路和反馈控制电路。主电路由IGBT逆变模块、功率变压模块和滤波模块依次连接组成，其中IGBT逆变模块与燃料电池子***(中间还设有滤波环节)相连接，滤波模块与负载相连接；所述反馈控制电路包括瞬时电流电压检测模块、比较器、DSP控制***模块和IGBT驱动模块，其中，瞬时电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述比较器的输出端与DSP控制***模块相连接，所述DSP控制***模块与IGBT驱动模块相连接，IGBT驱动模块需要由DSP控制***模块产生的SPWM控制波来触发，IGBT驱动模块与IGBT逆变模块相连接。燃料电池子***输出特性为300±5％直流电，经过直流母线滤波后，进入本实用新型的功率转换调节装置的IGBT逆变模块，将直流电逆变转换成为50Hz的三相工业用正弦波交流电，该交流电经过功率变压模块后，输出三相四线制交流电，经过滤波模块就可以得到“干净”、稳定的正弦波。输出的电流电压信号经过检测电路反馈到DSP控制***，实时控制以满足***稳定性要求。其中，功率变压模块采用带隔离变压器的逆变器，滤波模块采用LC滤波，瞬时电流电压检测模块主要由北京森社电子有限公司生产的霍尔电流传感器(型号为CHB-300S)和霍尔电压传感器(型号为CHV-50P)组成。
本实用新型中IGBT逆变模块的电路原理图如图2所示，逆变转换部分为三相电压型桥式逆变电路，其电路都是采用双极性控制方式。U、V和W三相的SPWM控制公用一个三角载波，三相的调制信号依次相差120°。当U相的调制信号大于三角载波信号时，上桥臂VT1导通，下桥臂VT4关断，输出电压为UCC/2；当调制信号小于三角载波信号时，下桥臂VT4导通，上桥臂VT1关断，输出电压为-UCC/2。V和W的控制方式都和U相相同。每一相的上下桥臂驱动信号始终是互补，逆变输出三条相位差为120°的正弦波。
如图3所示为IGBT驱动模块的电路原理图，它采用SCALE驱动板(由瑞士CONCEPT公司生产的2SD315Al)，其由输入处理电路、驱动输出电路、短路和过流保护电路、隔离状态识别电路、电源检测电路和DC/DC开关电源构成。SCALE驱动器有直接和半桥两种工作方式，本实用新型中的逆变转换电路是全桥逆变，故采用图3所示的直接连线方式，其外部引脚连接方法为：MOD输入端接Ucc，RC1和RC2端接地，PWM信号同时接INA和INB端，由SO1和SO2端引出两个状态反馈信号；图4是图3的IGBT驱动模块的输入保护电路原理图，电容Ca1能够抑制输入端出现的短脉冲或有害的尖峰脉冲，产生大约1us的信号延迟，能对驱动电路的输入端INA和INB起到适当的保护作用；图5是图3的IGBT驱动模块的电源保护电路原理图，如果驱动器外部发生短路(如IGBT损坏或短路)，则驱动器模块内部的DC/DC可能会导致电源短路，在Ucc端设置熔断器F1就能保证在出现故障时电路板不被毁坏；图6是图3的复位电路原理图，当Ucc>12.7V时，VD1反向击穿，V1导通，V2截止，该端为高电平，驱动器开通；而当Ucc<12.7V时，V1截止，V2导通，该端为低电平，驱动器关断。
图7是本功率转换调节装置的DSP控制***模块结构方框图，该***选择TMS320F2812作为DSP控制芯片，其基本结构包括哈弗结构、流水线操作、专用的硬件乘法器、特殊的DSP指令、快速的指令周期。A/D采样进来的模拟信号送到DSP的A/D转换通道，通过软件算法实现A/D转换，由脉冲输出端口输出PWM脉冲。图8是图7的DSP控制***模块程序流程图，设计的控制软件主要实现SPWM基准的产生、波形控制环路、各类保护和逻辑控制。
图9是本功率转换调节装置的电压瞬时值反馈控制电路原理图，图10是图9的电压瞬时值反馈控制电路的控制方法示意图。检测电路工作时，电压或电流传感器将采样到的输出交流信号变换为—1.65～+1.65V的交流信号，经过跟随器输出相应的信号，再叠加上一个+1.65V的直流偏置，使输出为0～3.3V的正弦信号输入到控制芯片的ADCIN口，才能将信号送到DSP的A/D转换通道，通过相应的软件实现A/D转换。本实用新型选用数字化PI控制策略，采用TI控制器的软件平台CCS集成开发环境的RTDX模块进行PI参数的调整。滤波器输出的电压瞬时值U0与电压给定值Uref进行比较，再将得到的误差信号经电压调节器调节后作为滤波电感电流的给定值lref。内环为电流控制环，将电感电流瞬时值I1与电流给定值lref比较，然后把产生的误差信号通过电流调节器送入SPWM控制环节，调整功率开关管的通断时间，从而调节***的输出电压。上述环节构成反馈闭环控制电路，就可以起到反馈的作用，稳定输出信号。
上述电路中，DSP算法应根据燃料电池运行方式进行选择。针对燃料电站独立运行时的特点，应采取滑模控制策略，利用控制作用的不连续性，使***在两个控制规律之间切换，使***状态沿着滑模面滑动，从而产生一种与原***无直接关系的新运动—滑动模态。根据这种算法设计控制器，控制***具有良好的抗干扰能力，满足电压跟随性，负载适应性；对于燃料电池电站并网运行，应采取电功率矢量控制策略，通过矢量变换技术和非线性***控制技术实现电功率矢量控制的算法，以获得近1.0的高功率因数，提高供电效率和质量。
如上即可较好地实现本实用新型。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃料电池的功率转换调节装置，分别连接燃料电池子***和负载，其特征是，包括主电路和反馈控制电路；所述主电路由IGBT逆变模块、功率变压模块和滤波模块依次连接组成，其中IGBT逆变模块与燃料电池子***相连接，滤波模块与负载相连接；所述反馈控制电路包括瞬时电流电压检测模块、比较器、DSP控制***模块和IGBT驱动模块，其中，瞬时电流电压检测模块的一端与负载相连接，另一端与比较器输入端相连接，所述比较器的输出端与DSP控制***模块相连接，所述DSP控制***模块与IGBT驱动模块相连接，IGBT驱动模块与IGBT逆变模块相连接。
2.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述IGBT逆变模块主要由三相电压型桥式逆变电路及其***电路组成。
3.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述功率变压模块是指带隔离变压器的逆变器。
4.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述滤波模块是指LC滤波电路。
5.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述瞬时电流电压检测模块主要由电流传感器、电压传感器及其***电路组成。
6.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述DSP控制***模块主要由TMS320F2812芯片及其***电路组成。
7.根据权利要求1所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述IGBT驱动模块主要由SCALE驱动板及其***电路组成。
8.根据权利要求7所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述IGBT驱动模块还包括输入保护电路；所述输入保护电路由二极管、电阻和电容相互连接组成。
9.根据权利要求7所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述IGBT驱动模块还包括电源保护电路；所述电源保护电路由二极管、电容和熔断器相互连接组成。
10.根据权利要求7所述燃料电池的功率转换调节装置，其特征是，所述IGBT驱动模块还包括复位电路；所述复位电路由二极管、三极管、电阻和电容相互连接组成。
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