燃料电池用DC-DC变换器控制策略研究

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1、摘要摘要随着能源危机和环境污染问题的日益严重，以光伏、风能和燃料电池等为代表的新能源发电日益受到重视。燃料电池的电压很大程度上取决于反应气体的温度、压力、湿度以及流速。另外，燃料电池输出电压也会随着负载电流的变化呈现出较大范围的波动。根据燃料电池工作特性，燃料电池用DC-DC变换器应具备在输入电压和输出负载发生扰动时，仍能输出稳定母线电压的能力，保证负载正常工作。为实现这个目标，本文重点对变换器控制策略进行了研究，主要完成工作如下：（1）建立了燃料电池H-100的等效电路模型，对其输出特性进行了分析。燃料电池是一种非线性电源，为获

2、得稳定的母线电压，需要引入DC-DC变换器。燃料电池H-100的输出电压范围是10~20V，为获得低压母线（5V），选用降压型DC-DCBuck变换器；为获得高压母线（48V），分析比较后选用升压型浮地交错Boost变换器。（2）为解决传统滑模控制DC-DCBuck变换器输出电压存在非零稳态误差问题，提出使用PrescribedConvergenceLaw二阶滑模控制律设计控制器。搭建了Simulink仿真模型和实验平台，比较了PI控制、传统滑模控制和二阶滑模控制的稳态和在输入电压扰动和负载扰动下的动态性能。仿真和实验结果表明，与

3、PI控制和传统滑模控制相比，二阶滑模控制输出电压具有更小的稳态误差，对输入电压扰动和输出负载扰动具有更好的鲁棒性。（3）针对浮地交错Boost变换器以电压为输出变量时系统为非最小相位系统及开关频率要求恒定问题，以电感电流为输出变量，基于Super-Twisting（ST）二阶滑模算法设计内环控制器。为使变换器在输入电压和输出负载扰动时也能输出恒定的母线电压，引入电压外环，并基于理想滑动模态线性化模型分别设计了PI、自抗扰和ST控制，给出了稳定性证明。搭建了Simulink仿真模型和实验平台，对PI+PI、PI+ST、自抗扰+ST和

4、ST+ST控制进行了对比研究。仿真和实验结果表明：ST+ST控制能实现电压平稳输出，对电路参数变化、输入电压扰动和输出负载扰动的鲁棒性更强；当输出电压参考信号正弦变化时，ST+ST控制能实现无偏差跟随。关键词：燃料电池，DC-DC变换器，滑模控制，自抗扰控制，PI控制IAbstractAbstractWiththeissuesofenergycrisisandenvironmentpollutionincreasinglyoutstandingdaybyday,therenewableenergysourseswhichrepre

5、sentedbythesolar,windandfuelcellaregettingmoreandmoreattention.Theoutputvotageoffuelcellrelyshighlyonthetemperature,press,humidityandflowrateofreactantgas.Inaddition,theoutputvoltageoffuelcellvariesgreatlywithitscurrent.Thusaccordingtotheoperatingcharacteristicoffuelc

6、ellstack,thedc-dcconverterforfuelcellapplicationsshouldoutputastiffdcbusinordertoguaranteethenormaloperationoftheload,regardlessofthedistubancesintheinputvoltageandoutputload.Tothisend,thisthesisfocesesonthecontrolstrategyfordc-dcconverters,themainworksaresummarizedas

7、follows.(1)TheequivalentcircuitmodeloffuelcellH-100isestablished,itcanbelearnedthatfuelcellisanonlinearpowersourceafteranalyzingitssteadystateperformance.Inordertoregulateastiffandsmoothdcbus,thedc-dcconverterisintroduced.SincetheoutputvoltageoffuelcellH-100variesfrom

8、10Vto20V,thedc-dcBuckconverterischosentoobtainalowdcbus(5V).While,inordertogetahighdcbus(48V),thefloatinginterleavedBoostdc-