微网中固体氧化物燃料电池发电系统建模及控制策略研究

论文摘要

本论文受重庆市自然科学基金（CSTC2009BB6190）和输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室自主研究项目（2007DA10512709208）的资助。微网能有效解决分布式电源入网对配电网的电压、潮流和网络供电可靠性的不利影响,同时发挥其积极的辅助作用,已经成为目前的研究热点。固体氧化物燃料电池（SOFC）作为分布式电源,具有结构简单、低噪声、负载能力强、污染小、综合利用效率高和寿命长等优点,越来越受到人们的关注。本文搭建了定燃料流量和定燃料利用率2种典型控制方式下固体氧化物燃料电池模型,分析了其稳态特性和动态特性;详细研究了微网中固体氧化物燃料电池发电系统的控制策略、其中增加了限流措施以及为了保证微网由孤岛模式平滑过渡到并网模式的同步环节。本文的主要内容如下:①介绍了文章的研究背景和意义,回顾了微网和燃料电池技术国内外的研究现状,以及燃料电池作为分布式电源应用于电力系统带来的问题。通过比较目前主要应用的4种燃料电池,指出固体氧化物燃料电池由于是全固态结构,具有无泄漏污染、热电联产综合利用效率高和寿命长等优于其他燃料电池的特性。②根据固体氧化物燃料电池的工作原理,气体分压和输出电压的计算公式,搭建了定燃料流量和定燃料利用率2种典型控制方式下SOFC数学模型。在模型基础上仿真分析和比较了2种典型控制方式下SOFC的稳态特性曲线（V-I和P-I特性）。研究了负载电流变化时,燃料电池内部氢气流量和气体分压,外部输出电压和功率的动态响应特性。③探讨了SOFC发电系统整体模型,提出了含SOFC微网的控制策略。逆变器采用V/f下垂控制,内部为电流内环和电压外环控制,外部为功率控制。为了有效限制逆变器故障电流,保护电力电子器件和燃料电池,在电流内环控制中设置限流保护;为了实现微网从孤岛平滑过渡到并网模式,在逆变器功率控制模块中增加了重连同步环节。BESS作为快速响应电源采用直流母线电压滞环充放电控制,通过双向变换器与直流母线并联,承担快速负荷变化。④在PSCAD/EMTDC中搭建了含SOFC微网模型,对所提出的控制策略进行仿真验证。考虑将燃料流量与负荷联系起来,模型中SOFC采用定燃料利用率控制方式。对并网和孤岛运行模式下负荷变化时、微网在孤岛与并网模式之间转换时、以及孤岛运行模式下发生单相接地故障时动态响应特性进行了详细研究。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 微网概念及研究现状
• 1.2.2 燃料电池研究现状
• 1.3 燃料电池应用带来的问题
• 1.4 本文主要的工作
• 2 固体氧化物燃料电池建模及特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 固体氧化物燃料电池工作原理及特点
• 2.3 固体氧化物燃料电池数学模型
• 2.3.1 模型假设
• 2.3.2 状态方程
• 2.3.3 输出电压
• 2.3.4 数学模型
• 2.4 固体氧化物燃料电池特性分析
• 2.4.1 稳态特性分析
• 2.4.2 动态特性分析
• 2.5 小结
• 3 含固体氧化物燃料电池微网模型及控制策略
• 3.1 引言
• 3.2 含固体氧化物燃料电池微网模型
• 3.3 SOFC 发电系统整体模型及控制策略
• 3.3.1 BOOST 变换器模型及控制
• 3.3.2 逆变器模型及控制策略
• 3.3.3 蓄电池模型及控制策略
• 3.4 小结
• 4 仿真分析
• 4.1 引言
• 4.2 算例分析
• 4.2.1 微网并网运行
• 4.2.2 微网孤岛运行
• 4.2.3 并网和孤岛模式相互切换
• 4.3 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 主要结论
• 5.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录
• B. 作者在攻读硕士学位期间参与的项目