基于PEMFC的分布式并网发电系统设计

论文摘要

由于煤炭、石油等一次能源带来较严重的环境污染,同时价格持续上涨,人们对低污染、可再生的新能源分布式发电的关注度逐渐增加。相对集中式供电,分布式发电（Distributed Generation,简称DG）可以安装在用户附近,减少了输电工程等成本,同时可以为偏远地带以及供电可靠性要求高的部门供电,分布式发电与传统集中式发电相结合可以节约成本,提高电网整体效益,并提高供电可靠性。燃料电池、太阳能、风能、水能、生物质能及微型涡轮机等都属于近年来发展较快的分布式电源,其中燃料电池具有效率高、模块化、环境友好、容量可根据需要而定等多种优点,受到了人们的广泛关注,有望逐步实现商业化。但是其输出为不稳定的直流电,因此需要通过电力电子等装置转换为稳定的交流电,供本地负载或并网使用。本文对基于质子交换膜燃料电池（PEMFC, Proton Exchange Membrane Fuel Cell）的分布式并网发电系统进行设计,并以Nexa 1.2kW燃料电池发电系统为平台,进行并网试验。第二章阐述了燃料电池的特点、原理、分类及建模,介绍了分布式发电并网标准IEEE 1547-2003,以及并网对电力系统可能产生的影响。第三章对燃料电池分布式并网发电系统进行了设计,确定了并网系统的总体方案,选择DC/DC+DC/AC单逆变器两级变换的系统结构,DC/DC采用电压控制的Boost结构,DC/AC采用电压电流双环控制的全桥结构。论文结合总体设计方案,给出了孤岛检测算法,即采用有源和无源相结合的检测方式。第四章利用Matlab/Simulink对燃料电池分布式并网发电系统进行建模和仿真,并网运行的仿真结果表明分布式发电系统输出电流可以较好的跟踪电网电压,谐波含量在允许范围之内,验证了本设计的可行性。同时,在熟悉Nexa 1.2kW燃料电池发电系统平台的基础上,对燃料电池分布式发电系统进行并网试验,试验结果显示输出电流对电网电压跟踪效果比较理想,分布式发电系统可以和配电系统一起为负载供电,验证了系统设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 分布式发电技术的应用现状
• 1.2.2 燃料电池分布式发电的应用及研究现状
• 1.3 分布式发电技术
• 1.4 燃料电池在分布式发电中的应用
• 1.4.1 燃料电池作为分布式电源的可行性
• 1.4.2 加快发展燃料电池分布式发电技术的意义
• 1.5 分布式发电并网的关键技术
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 燃料电池原理及分布式发电并网标准
• 2.1 燃料电池原理
• 2.1.1 燃料电池的特点、原理及分类
• 2.1.2 燃料电池的建模
• 2.2 分布式发电并网标准
• 2.2.1 分布式发电并网标准
• 2.2.2 分布式发电对电力系统的影响
• 第3章 燃料电池分布式并网发电系统设计
• 3.1 并网系统结构
• 3.1.1 并网系统结构分类
• 3.1.2 并网系统结构设计
• 3.2 直流变换器技术
• 3.2.1 DC/DC拓扑结构及原理
• 3.2.2 DC/DC的控制技术
• 3.3 逆变器技术
• 3.3.1 DC/AC拓扑结构
• 3.3.2 DC/AC的控制技术
• 3.4 锁相环节
• 3.5 孤岛检测算法
• 3.5.1 孤岛检测
• 3.5.2 孤岛检测算法实现
• 3.6 滤波器的设计
• 第4章 燃料电池分布式并网发电系统建模及试验分析
• 4.1 燃料电池分布式并网发电系统建模仿真
• 4.2 Nexa 1.2kW燃料电池发电系统简介
• 4.3 燃料电池分布式发电系统并网试验
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果