光伏燃料电池混合发电系统建模及仿真研究

【摘要】：随着化石能源的日渐枯竭以及环境问题的日益突出，世界各国都加紧了对新能源的开发与利用。希望通过新能源来替代目前传统的不可再生的化石能源，实现能源的可持续利用。太阳能作为一种可再生能源与传统能源相比具有资源丰富、无环境污染且无处不在等巨大优势。我国拥有非常丰富的太阳能资源，太阳能年总辐射量大于1050kWh/m 2的地区占国土面积的96%以上。因此采用无污染、不受地域限制、易于安装及配置灵活的光伏混合发电系统是解决目前许多西部无电或缺电地区用电问题较好的方案。 由于太阳能受到天气、时间、季节等不确定因素的影响，具有随机性和间断性，因此需要独立运行的光伏发电系统为了满足电力的连续供应必须采用必要的能源储存装置。储能装置的好坏将直接影响系统的稳定性与可靠性。燃料电池是一种不经燃烧直接将化学能转化为电能的的发电设备，其发电过程中排放的主要是水跟废热，对环境几乎没有什么污染。同时，氢能是一种理想无污染的可再生能源，而且它能实现能源的长时间储存，这对太阳能季节性的波动能起到很好的调节作用。因此，将水电解槽电解产生的氢能利用储氢装置储存这种方式为光伏发电系统提供了一种新的储能方式，但这种储能方式相对于传统的蓄电池储能方式转化效率较低。微型燃气轮机是近几年新发展起来的一种分布式电源，它以环境污染小，能源效率高，可用燃料多等诸多优点迅速引起人们的关注。它可与燃料电池结合组成冷热电联供系统，这也为光伏混合发电系统的构架提供了一种新的选择。本文提出了一种光伏燃料电池混合发电系统，该系统利用氢气储存来实现能源的长期储存，并通过微型燃气轮机和质子交换膜燃料电池之间的相互配合来实现连续、稳定的电力供应。该混合系统主要元件包括光伏阵列、质子交换膜燃料电池、质子交换膜水电解槽、微型燃气轮机、超级电容、氢气罐以及功率变换装置等。本文在各元件模型的基础上搭建了混合发电系统的仿真平台，基于光伏发电系统的设计原理以及设计要求，对本文所研究的光伏燃料电池混合发电系统进行了简单的容量匹配设计，并根据系统运行要求对系统进行了能量管理研究。完成的主要工作包括： （1）介绍了光伏发电系统的设计原理、设计依据以及设计要求，并根据这些内容对本文研究的光伏燃料电池混合发电系统进行了简单的容量匹配设计。 （2）建立了混合发电系统的模型。深入研究了系统中各个组成单元的工作机理，在Matlab/simulink仿真环境中，采用模块化的建模方法，对系统中各个单元分别建模，其中包括光伏电池、质子交换膜燃料电池、质子交换膜水电解槽、超级电容、微型燃气轮机以及功率变换装置等，并对每个单元模型进行了特性分析。此外，还将每个分布式电源与各种电力电子器件结合组成单个发电系统，并对其进行了仿真分析。 （3）分析了光伏阵列的最大功率跟踪控制策略，并在Matlab/simulink仿真环境中实现了基于扰动观察法和增量电导法的最大功率跟踪控制算法，最后比较分析了这两种最大功率跟踪控制算法的优劣性。 （4）对光伏燃料电池混合发电系统进行了能量管理研究。提出了一种基于时域分层的能量管理策略。此能量管理策略将能量管理分为3个层次：1）基于光伏预测和负荷预测的提前能量管理；2）基于运行模式切换的能量管理；3）基于功率跟随控制的实时能量管理，通过这3层能量管理的有机结合来完成整个系统能量管理。最后在Matlab/simulink仿真环境中仿真分析了基于功率跟踪控制的实时能量管理。 【关键词】：光伏发电 质子交换膜燃料电池 微型燃气轮机 建模仿真 能量管理
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM911.4;TM743
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-21
• 1.1 引言12-14
• 1.1.1 新能源现状和发展趋势12-13
• 1.1.2 研究背景和意义13-14
• 1.2 光伏混合发电系统14-17
• 1.2.1 系统种类14-15
• 1.2.2 系统结构15-16
• 1.2.3 本文研究的发电系统16-17
• 1.3 光伏燃料电池混合发电系统研究现状17-19
• 1.3.1 系统建模的研究现状17-18
• 1.3.2 控制系统的研究现状18-19
• 1.4 光伏燃料电池混合发电系统运行原理19-20
• 1.4.1 并网运行19
• 1.4.2 孤岛运行19-20
• 1.5 本文主要研究内容20-21
• 第二章 光伏燃料电池混合发电系统设计21-28
• 2.1 光伏燃料电池混合发电系统的设计原理和设计依据21-22
• 2.1.1 设计原理21-22
• 2.1.2 设计依据22
• 2.2 光伏发电系统的设计要求22-25
• 2.2.1 电能质量22-23
• 2.2.2 安全与保护23-24
• 2.2.3 安装要求24-25
• 2.3 光伏燃料电池混合发电系统容量匹配设计25-27
• 2.4 氢能的储存27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 光伏燃料电池混合发电系统单元建模及仿真28-57
• 3.1 光伏电池模型28-34
• 3.1.1 等效电路28-29
• 3.1.2 光伏电池模型29-32
• 3.1.3 光伏电池特性分析32-34
• 3.2 质子交换膜燃料电池模型34-42
• 3.2.1 电化学模型35-37
• 3.2.2 热模型37-38
• 3.2.3 阴极和阳极压力模型38-39
• 3.2.4 燃料电池特性分析39-42
• 3.3 超级电容模型42-44
• 3.3.1 等效电路模型42-43
• 3.3.2 超级电容数学模型43
• 3.3.3 超级电容特性分析43-44
• 3.4 质子交换膜水电解槽模型44-49
• 3.4.1 电化学模型45-47
• 3.4.2 PEM 水电解槽特性分析47-48
• 3.4.3 PEM 水电解槽效率48-49
• 3.5 微型燃气轮机模型49-54
• 3.5.1 微型燃气轮机数学模型49-52
• 3.5.2 微型燃气轮机特性分析52-54
• 3.6 功率变换装置模型54-56
• 3.6.1 直流变换装置54-55
• 3.6.2 交流变换装置55-56
• 3.7 本章小结56-57
• 第四章 光伏燃料电池混合发电系统电源仿真分析57-72
• 4.1 光伏阵列的最大功率跟踪（MPPT）控制策略57-64
• 4.1.1 最大功率跟踪原理分析57-59
• 4.1.2 常用最大功率跟踪控制方法分析59-61
• 4.1.3 基于扰动观察法的 MPPT 仿真分析61-63
• 4.1.4 基于增量电导法的 MPPT 仿真分析63-64
• 4.2 光伏发电系统仿真分析64-67
• 4.2.1 系统模型65-66
• 4.2.2 仿真分析66-67
• 4.3 质子交换膜燃料电池系统仿真分析67-69
• 4.3.1 系统模型67
• 4.3.2 仿真分析67-69
• 4.4 微型燃气轮机发电系统仿真分析69-71
• 4.4.1 系统模型69
• 4.4.2 仿真分析69-71
• 4.5 本章小结71-72
• 第五章 光伏燃料电池混合发电系统能量管理72-86
• 5.1 混合发电系统能量管理72-73
• 5.1.1 混合发电系统能量管理的构成与任务72-73
• 5.1.2 混合发电系统能量管理的目标73
• 5.2 基于时间跨度分层的能量管理策略73-78
• 5.2.1 基于短期光伏预测以及负荷预测的超前能量管理74-75
• 5.2.2 基于模式切换的短期能量管理75-77
• 5.2.3 基于功率跟随控制的实时能量管理77-78
• 5.3 基于功率跟随控制的实时能量管理仿真分析78-84
• 5.3.1 实时能量管理仿真模型78-80
• 5.3.2 控制系统设计80-81
• 5.3.3 仿真分析81-84
• 5.4 本章小结84-86
• 第六章 总结与展望86-88
• 6.1 全文总结86-87
• 6.2 展望87-88
• 参考文献88-93
• 致谢93-94
• 附录94

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