燃料电池发电系统研究与仿真

论文摘要

随着环境污染,能源短缺等全球性问题日益突出,减少排放,发展新能源技术已经成为21世纪科技发展的重要议题。其中,燃料电池以其高能量转化效率、零排放、低噪声等优点成为众多发电、动力设备的首选装置。燃料电池是一种电化学的发电装置,该装置将储存在燃料和氧化剂中的化学能,按电化学原理转化为电能。因为燃料电池中不存在热机过程,在其反应过程当中不会产生任何污染。所以燃料电池作为一种利用新能源的载体,在航天、电动汽车、舰船、潜艇、中小型移动电源、分布式电站中得到了广泛的应用。本论文在新加坡淡马锡理工学院清洁能源中心(Clean Energy Center, Temasek Polytechnic, Singapore)与新加坡电信公司(SingTel)合作的项目——通信设备燃料电池备用电源的基础上,研究燃料电池发电系统,初步设计了一套5kW燃料电池分布式发电系统。通过在MATLAB/SIMULINK环境下仿真分析,该系统能够输出可靠稳定的工频交流电压,满足负载需求。由于质子交换膜燃料电池具有启动时间长,动态响应速度慢等缺点。在发电系统中引入超级电容作为能量缓冲单元。该装置能够在燃料电池启动和负载快速变化时,快速释放或吸收能量,优化整个系统能量的分配与流动,不仅能提高整个系统输出的可靠性与稳定性,而且能够稳定燃料电池的输出,减小燃料电池质子交换膜中的扰动电流,达到保护燃料电池质子交换膜的目的。本论文在MATLAB/SIMULINK环境下,根据电化学原理、电力电子学原理分别建立了燃料电池,超级电容,DC/DC变换器,DC/AC逆变器的动态模型,仿真分析了整个系统的输出特性,从理论上验证了该系统的发电可靠性。燃料电池的燃料进气量会直接影响其输出表现,为实现优化燃料电池的燃料进气量的控制,超级电容充放电电流的控制,以及逆变器逆变电压的控制等,在本课题中采用了多种控制方法相结合的方式。其中,燃料电池的控制采用了模糊控制器,优化燃料电池的输出特性,大大降低了燃料电池的动态响应时间。对超级电容充放电电流的控制,主要采用模糊控制和PI相结合的方式,超级电容充放电电流的大小由模糊控制器根据控制策略决定,而PI控制器主要用于调节超级电容双向DC/DC的输出。对于逆变器,采用PI调节的方式实现。为验证整个系统的实用性,本论文从系统设计的角度出发,设计了燃料电池控制、超级电容控制、数据显示以及能量控制管理等功能模块。以各个功能模块为单位,设计了通信设备燃料电池备用电源的硬件,经系统测试,其输出的直流电压稳定,功率可调,能够满足通信设备负载的电能供应要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 燃料电池分布式发电系统研究背景
• 1.2 国内外研究现状及背景
• 1.2.1 燃料电池发展现状及背景
• 1.2.2 分布式发电现状及背景
• 1.3 系统概述
• 1.3.1 燃料电池概述
• 1.3.2 超级电容概述
• 1.4 本课题的研究目标和主要内容
• 1.4.1 本课题的研究目标
• 1.4.2 本课题的主要内容
• 第2章 燃料电池发电系统结构设计
• 2.1 燃料电池发电系统总体结构组成
• 2.2 燃料电池控制模块设计
• 2.3 超级电容控制模块设计
• 2.4 系统能量管理控制模块设计
• 第3章 基于MATLAB/SIMULINK的系统动态建模
• 3.1 燃料电池模型
• 3.1.1 模型假设
• 3.1.2 燃料电池的机理模型
• 3.1.3 燃料电池的数学模型
• 3.2 燃料电池控制阀模型
• 3.3 超级电容的数学模型
• 3.4 DC/DC模型
• 3.5 DC/AC模型
• 3.6 能量优化分配控制模块的实现
• 第4章 燃料电池发电系统的硬件设计与实现
• 4.1 系统电源模块的硬件设计
• 4.2 燃料电池控制模块硬件设计
• 4.2.1 燃料电池控制模块启停功能设计
• 4.2.2 燃料电池控制模块异常告警功能设计
• 4.2.3 燃料电池控制模块运行参数调节功能设计
• 4.2.4 燃料电池排水控制模块功能设计
• 4.3 超级电容控制模块硬件设计
• 4.4 燃料电池发电系统显示模块硬件设计
• 第5章 系统测试与仿真结果分析
• 5.1 系统测试
• 5.2 仿真结果分析
• 5.2.1 燃料电池发电系统输出结果分析
• 5.2.2 燃料电池发电系统功率跟随能力分析
• 5.2.3 燃料电池发电系统控制策略分析
• 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果