燃料电池DC-DC变换器建模与控制

【摘要】随着环境污染和能源危机问题的加剧,新型绿色能源的发展越来越受到国际学术界和工程界的关注。燃料电池具有无污染、零排放、清洁、能量密度高等优点。燃料电池电能的产生依赖于燃料的提供,燃料供给的波动往往会导致燃料电池的输出电压不稳定甚至出现大范围波动,所以设计一个安全、可靠和高效的DC-DC变换器至关重要。本文旨在设计能够有效转换燃料电池电能的DC-DC变换器,对其进行理论分析和研究,并采用嵌入式芯片实现控制算法,保证DC-DC变换器实现高效的电能转换。文章主要完成工作总结如下。(1)提出了推挽Buck型DC-DC变换器和推挽Boost型DC-DC变换器拓扑结构。分别对其工作原理和特性进行分析,采用状态空间平均法建立各自的大信号系统模型。考虑到设计线性控制器需要基于线性模型的需求,通过分离大信号系统模型中电路的稳态参量和动态参量,获得线性小信号模型,便于线性控制器的设计。(2)首先,设计并制作了推挽Buck型DC-DC变换器实验样机,硬件电路包括功率主回路、检测电路、驱动电路等。其次,结合电路小信号模型与已设计的电路参数进行实际电路的频域分析,指出电路存在的动态响应不足的问题,设计对应的模拟补偿反馈控制器,为实际硬件电路控制提供理论支撑。然后,通过DSP实现DC-DC电路的实际控制,实验结果表明DC-DC变换器的输出电压在DSP控制下能很好地跟踪到设定电压,并且具有良好的阶跃响应特性和抗负载突变的能力。(3)采用快速模型预测控制算法控制正激DC-DC变换器,分析了该算法与传统模型预测控制相比的优点。首先建立了正激DC-DC变换器的小信号线性化模型和离散时间混杂模型,然后提出快速模型预测控制算法的控制目标性能函数和约束条件,针对可能存在的模型失配问题,采用修正设定电压的方式进行校正补偿。最后将控制效果与传统补偿反馈控制器进行比较,控制效果显著。
【作者】沈烨烨；
【导师】谢磊；李修亮；
【作者基本信息】浙江大学，控制工程，2014，硕士
【关键词】燃料电池；DC-DC变换器；快速模型预测控制；补偿反馈控制；DSP控制；

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