朱继敏[1]2017年在《风电—质子交换膜燃料电池联合供电系统的特性仿真及能量管理》文中提出当前,以化石燃料为基础的能源系统带来了大量问题,如气候变化、空气污染、温室气体排放和对化石燃料的依赖等。人们迫切需要开发可再生的替代能源,并研究其能量转换及储存方法。风电作为一种通用的可再生能源转换装置,因其能量来源广、环境污染小等优点,成为取代传统发电系统的最有潜力的能源形式之一。为了解决风力发电的随机和间歇性问题,将发电量不可控制的风力发电系统与可控的燃料电池组合成联合系统,从而保证系统的供电质量。与目前使用的其他类型的燃料电池相比,质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有预热时间短、工作温度低、比功率高和没有电解液泄漏风险等优点。因此采用风电和PEMFC相结合的联合发电系统,成为一种理想的发电方式,对当今世界的能源和环境问题的解决具有理论和现实意义。本文建立在国家自然科学基金资助项目"分布式多元供能系统数学模型与优化控制策略研究"基础上,并结合现有的研究成果,对风电-PEMFC联合供电系统进行了研究。建立了风力发电机组、PEMFC电堆、电解槽、储氢罐、功率转换及控制装置等单元模块的仿真模型,研究了各模块的工作特性。设计了系统的能源管理策略,其控制效果和可行性通过仿真结果得到了验证。文中建立了变速恒频风力发电系统的仿真模型,模型包括风力发电机组、传动装置、双馈感应风力发电机和变流器等多个子模块,以及模拟自然状态的风速模型。详细介绍了风力发电机最大功率跟踪原理以及系统控制原理,针对风电场在渐变风速下的运行特点进行了仿真和分析。详细介绍了 PEMFC的工作原理及组成,在此基础上利用MATLAB/Simulink仿真软件对其进行了建模及仿真分析,研究了电堆输出电流以及进气温度对系统性能产生的影响,且为满足负载需求建立了 PEMFC的功率转换模型。本文介绍了几种现有的制氢和储氢方式,并对其优劣进行了比较。选用了电解水制氢及活性炭储氢的方式,基于其工作原理建立了电解槽和储氢罐的集总参数模型,并对其性能仿真的结果进行了分析。结合各发电模块的工作特点,设计了风电-PEMFC发电系统的能量管理策略,并在MATLAB/Simulink仿真平台上建立了系统整体的仿真及控制模型。结合风速变化和用户负载变化情况,对系统进行了仿真并验证其可行性。
蔡惠红[2]2003年在《燃料电池模型及其发电系统的研究》文中进行了进一步梳理燃料电池就是把化学反应的化学能直接转化为电能的装置。与火力发电相比，关键区别在于燃料电池的能量转变过程是直接方式。目前，燃料电池作为一种高效、灵活且环境友好的发电方式已倍受各国政府重视。我国已经有越来越多的研究单位、高等院校等进行燃料电池的研究和开发。 燃料电池的应用领域非常广泛，它即可适合用于集中发电，也可用作各种规格的分散电源和可移动电源。和传统发电方式相比，燃料电池发电具有以下几个显着的优点：良好的环境效益；发电效率高；可用燃料的多样性；余热的再利用；安装简便可实现模块化操作运行。使用清洁能源与开发洁净化能源利用技术，是能源持续发展工程中的重要内容。随着燃料电池发电技术研究的不断进步，燃料电池将会得到越来越广泛的应用。 本文首先概述了燃料电池发电技术现状及存在的问题，论证在我国电力系统发展燃料电池发电技术的必要性，并提出发展燃料电池发电技术的技术路线。从国家安全及可持续发展高度出发认识发展我国燃料电池发电技术的重大意义。指出了本文中作者所做的研究工作。 第二章概述了燃料电池的工作原理和特点，回顾了燃料电池的发展历史，介绍了燃料电池的类型、应用以及各种燃料电池的技术特性。 第叁章以熔融碳酸盐燃料电池为例，以数值分析的方法，根据MCFC电堆发电过程中物质与电量平衡，分析了电堆的内部动态特性，就输出电压与燃料气体利用率和电流密度等相关量建立了由一组变系数偏微分方程和积分方程描述的数学模型。在此基础上分别对电压与燃气利用率、电压与电流的关系进行了仿真。 第四章基于软件MATLAB/SIMULINK开发了燃料电池动态模型以及并网运行的模型，这个模型只是用了一小部分参数，而且作了很多假设，在基本反映出燃料电池特性的基础__仁，这个模型可以用来进行系统规划研究。并对几种模型的特点及其应用范围作了说明。 第五章在简要叙述了熔融碳酸盐燃料电池发电系统原理后，从以下几个方面对系统的开发进行了论证:单体元件(电极和电解质)性能的提高，燃料的处理，余热利用，电力调节和并网，燃料电池/燃气轮机/汽轮机联合发电以及系统控制与优化。另外，对MCFC发电系统容量和全球的市场作了简单的介绍。
孙树娟[3]2012年在《多能源微电网优化配置和经济运行模型研究》文中提出微电网技术是目前世界上公认的电力工业的发展方向。微电网中通常包含多种微电源，且各种微电源具有独特的机组特性。因此，研究多能源微电网优化配置和经济运行模型是实现多能源微电网经济运行的关键技术之一。多能源微电网中一次性能源的多样性，使得微电网的配置和运行需要考虑多种因素；光伏发电和风力发电系统是多能源微电网系统中典型的微电源，其功率输出易受外界环境影响。不同安装地点的风光资源的不同，将会造成风光机组输出功率的差异很大，从而影响系统的配置及调度运行策略。最近几年出现的电动汽车可看作一种特殊负荷，随着电动汽车数量的不断增加，对微电网的经济运行也会产生一定的影响。针对多能源微电网系统的上述特点，本文主要从安装地点特性、机组随机性及特殊负荷叁个角度对多能源微电网的优化配置及经济运行模型进行了研究，主要工作和创新成果在于：（1）建立了系统优化配置数学模型及系统性能评价指标。微电网整个使用周期内，由于机组寿命的不同，部分设备需要更换。如果直接将第一年购买设备费用作为目标函数，则无法体现整个工程年限中部分设备更换对系统经济性的影响。因此，本文提出将设备总投入费用折算成设备每年投入费用作为优化配置目标函数。（2）提出了系统多目标经济运行数学模型、评价指标及约束条件。目标函数中考虑了风光机组输出功率的随机性。各子目标函数分别为耗能机组燃料消耗费用、可再生能源机组运行费用、机组输出功率波动惩罚费用、污染物治理费用及电网功率交换收益。（3）基于以上所建立的目标函数，从安装地点、机组随机性及特殊负荷叁个角度进行案例分析。案例一分析了安装地点对系统经济运行的影响，选取典型城市进行对比分析。总结出不同地区适合安装的微电网系统。案例二分析了机组随机性对系统经济运行的影响，讨论了机组输出功率随机性、机组随机性惩罚系数和污染物排放惩罚系数对系统经济运行的影响。案例叁将电动汽车这一特殊负荷加入到多能源微电网中，分析了系统发电与用电动态匹配性以及双方收益分配问题。
王丽俐[4]2007年在《煤加氢气化及固体氧化物燃料电池数值模拟》文中指出近零排放煤(ZEC)利用系统是一种先进的洁净煤发电技术,现已部分进入实验研究阶段,虽然各国学者已经对它做了不少研究,但至今仍理论研究不充分,本文立足于ZEC发电系统,重点研究系统中煤加氢气化炉内的煤加氢气化过程和固体氧化物燃料电池两部分。本论文在收集大量文献资料,借鉴和吸收前人研究成果基础上,开展了相关研究,还着重对一些理论问题进行了深入的研究,主要研究内容包括:综合运用化学平衡和热力学平衡对于给定煤种的加氢气化反应建立了通用的热力学数学模型。同时应用FLUENT软件首次对加氢气化炉(200t/d)的炉内流场、速度、温度以及生成气组分进行了全面的数值模拟,预测了气化炉出口的煤气成分、产量等。并利用模型计算分析了煤加氢气化直接生成CH4的过程,主要分析了反应温度、压力以及气化过程中的氢气系数对加氢气化反应的平衡常数和平衡转化率的影响。通过和文献参考资料的相互比对,确认了搭建模型的可靠性。本文同时研究了固体氧化物燃料电池的运行机理及影响因素;应用AspenPlus~(TM)软件对固体氧化物燃料电池进行了模拟,用测算的方法得到了120kW电池堆所需的燃料、空气和水蒸气的流量;并用FORTRAN模块对电池的发电量、电压和效率进行了计算。测算的输入数据及模拟结果与国外类似系统的试验数据非常接近,说明模拟是成功的。在此基础上,本文又从两个不同的方面对模拟进行了扩展。
李鑫[5]2008年在《燃料电池DC/AC变换器主电路及其EMC研究》文中研究表明本论文主要对应用于燃料电池发电系统的DC/AC变换器的主电路拓扑结构、元件参数设计及EMC(电磁兼容)问题进行了研究。首先,介绍了PEMFC(质子交换膜燃料电池)的工作原理、静态特性、动态特性以及对低频纹波电流的敏感特性;研究了建立燃料电池静态及动态等效电路模型的方法。其次,针对燃料电池的输出电压特性,分析了燃料电池发电系统的拓扑结构。着重对该系统中的DC/AC变换器部分进行了深入讨论,对该变换器的主电路拓扑结构、元件参数和运行参数等进行了理论分析;对DC/AC变换器主电路的电压电流双闭环控制方法,应用MATLAB/Simulink进行了仿真;结合DSP数字控制器的特点,分析了SPWM波的生成原理,在此基础上编写了系统闭环控制程序;设计制作了燃料电池DC/AC变换器的样机,进行了实验研究。最后,分析了DC/AC变换器主电路EMI(电磁干扰)的干扰源、传播途径以及DC/AC变换器的敏感设备;研究了DC/AC变换器主电路的EMC措施。仿真研究表明:设计的燃料电池发电系统具有较好的整体性能,燃料电池输出100Hz纹波电流系数满足要求。双闭环控制DC/AC变换器系统在负载突变和非线性负载下,具有较高的稳态精度和较快的动态响应,是一种性能优异控制方法;样机实验证明:DC/AC变换器输出交流电压为220V,50HZ,THD(总谐波畸变)不大于3%,均满足设计要求。
芮菊[6]2008年在《固体氧化物燃料电池（SOFC）的建模与仿真》文中研究表明由于燃料电池不受卡诺循环的限制,能量转换效率高,而且主要排放物为水(视反应物而定),污染比较小,因此燃料电池成为二十一世纪重要的能源装置。近年来,燃料电池技术的研究引起了很多研究机构的广泛兴趣,并在许多商业领域都有其应用前景。固体氧化物燃料电池(SOFC)除了具有高效、清洁、低噪音、负载能力强等燃料电池所共有的优点外,由于是全固体,所以还具有无泄漏、无电解质腐蚀、综合利用效率高和寿命长等优点。它除了可以利用H2为燃料以外,还可以利用天然气、CO等其它燃料,因此非常有希望开发成大规模的SOFC发电装置来代替现在使用的火力发电。目前国内外对SOFC的研究主要集中在化工、材料、结构等方面,对SOFC控制方面的研究还比较少,但它又是SOFC的实用化、产业化前必须解决的问题。为了改进SOFC的设计和性能,必须对SOFC的电气性能进行深入的研究。然而,SOFC系统工作在高温、封闭、复杂的环境下,内部状态测量极为困难,试验分析代价很高,有时几乎是不可能的。目前还只能小规模地对SOFC的部分参数和变量进行测量和分析。相对而言,对SOFC的数值分析成本较低。用数值分析的方法,建立SOFC的数学模型,并对其进行仿真研究,为实现SOFC的控制奠定理论基础。本文利用燃料电池机理和实验数据建立了SOFC的电特性模型,分析了影响电池输出性能的相关因素。然后利用径向基函数(RBF)神经网络的方法建立了SOFC的电特性辨识模型。由于改进遗传算法比简单遗传算法有着更快的收敛速度和更高的精度,本文最后提出了一种基于改进遗传算法的RBF神经网络辨识方法,对RBF神经网络中关键的参数进行优化,以解决由于模型简化和输入参数的不准确而造成的模型精度降低问题。本论文的主要工作包括:*根据燃料电池机理分析了SOFC的电压/电流密度特性,并详细分析了影响电池实际输出电压的各类极化现象。深入研究了SOFC系统运行过程中电池输出性能与各影响因素的关系以及各影响因素对电池输出性能的影响。本文重点考虑了电池系统运行过程中运行参数——温度和电流密度对电池输出特性的影响。*建立了SOFC电特性的仿真模型。利用RBF神经网络的辨识方法建立了SOFC的电特性模型,模型辨识要求在不同温度下,能够动态模拟出电池电压与电流密度的变化曲线,完成网络模型的输入矢量到输出矢量的非线性动态映射。*在研究了标准遗传算法优、缺点的基础上,采用改进策略设计了一种改进的遗传算法——自适应遗传算法对RBF神经网络的参数(网络各隐层基函数(高斯函数)的数据中心、网络各隐层基函数(高斯函数)的扩展常数和网络输出节点的权值)进行了优化。最后的仿真验证了模型的可靠性,为实现SOFC的控制奠定了理论基础。
秦臻[7]2017年在《考虑分布式发电影响的综合负荷建模研究》文中研究指明电力系统数字仿真计算是电力系统动态分析、规划设计和调度运行的主要决策依据,而仿真结果的准确性依赖于系统各个元件的精确程度。受制于电力负荷随机性、分散性、时变性及非线性等特点,负荷模型与其他成熟的电力元件模型相比依然不够精确。而当分布式发电设备在配电网末端并网后,配电网区域负荷节点的特性会发生巨大改变,复杂程度得到进一步的增加,使得传统的综合负荷模型失去对变电站母线节点负荷特性的描述能力。因此,研究考虑分布式发电影响的综合负荷建模具有重要的意义。本文首先阐述了负荷建模的发展与现状。对于负荷建模研究,选用恰当的负荷模型和合适的建模方法是研究工作的基础。因此本文详细总结了负荷现有的模型结构、负荷建模的方法和参数辨识理论,分析了负荷模型的选取对电力系统仿真结果造成的影响,并以总结分布式发电的定义和典型分布式发电形式为基础,归纳了分布式发电并网对电力系统造成的影响。随后,本文对考虑风力发电的综合负荷模型结构和建模方法进行了研究,详细地分析了配电网综合负荷和异步风力发电机组的数学模型,通过对两者的归纳推导,提出了适用于配电网中任意比例风电出力的含风力发电的广义综合负荷模型和辨识策略,进而建立了考虑风力发电的配电网广义综合负荷模型。在此基础上,为了使上述研究成果能够扩展到含有多种类型分布式发电的综合负荷建模中,本文从燃料电池发电系统入手,对其自身机理特性和运行控制方式开展了深入的研究,提出从负荷建模的角度出发,可以把燃料电池发电系统看作一个无功为零的恒功率源。通过对已取得的研究成果的改进,建立了考虑多种分布式发电形式的配电网广义综合负荷模型。为了验证本文所提出的考虑分布式发电影响的综合负荷模型的描述性和适应性,在Matlab/Simulink仿真平台中对含有分布式发电的配电网系统进行数字仿真,通过对分布式发电不同出力情况的模拟,运用总体测辨法和智能优化算法,辨识获取的负荷特性数据,从描述效果和泛化效果两个方面,验证了模型的有效性和适用性。
竺健[8]2015年在《光伏—燃料电池—蓄电池微电网系统研究》文中认为随着环境的日益恶化和能源的枯竭，人们越来越重视可再生分布式能源的发展，其中如何提高分布式能源的发电效率和系统供电可靠性是研究的重点。微电网包含分布式发电装置，例如光伏发电、燃料电池、风力发电和微型燃气轮机、储能装置、敏感负荷及可控负荷。微电网可以并网运行，也可以孤岛运行。无论哪种模式之下，微电网运行控制目标首先是保证系统稳定性，然后是充分考虑微电网的运行经济性。燃料电池是一种先进的清洁能源，具有能量转换效率高、能量密度大、可控性强、运行噪音低、低热辐射和低排放无污染等优点。质子交换膜燃料电池是本文研究的重点，本文针对光伏-燃料电池-蓄电池微电网发电系统展开了深入的研究。首先根据光伏发电单元、燃料电池、蓄电池的数学模型建立了仿真模型，并对它们的输出特性进行了分析。针对上述各分布式电源的输出特性设计了逆变器的拓扑结构。光伏发电特性易受环境因素(辐照量、温度)的影响，光伏单元采用电导增量法的MPPT控制策略，针对燃料电池和蓄电池介绍了PQ、V/F以及Droop控制策略，PQ控制策略主要应用于并网运行，V/F控制策略应用于孤岛运行状态。质子交换膜燃料电池输出具有软特性，并网发电系统需要通过DC/DC和DC/AC并入配电网，并采用PQ控制策略控制输出。通过研究在配电网发生故障导致电压跌落过程中燃料电池输出功率的暂态特性，本文提出了一种由一个电压源、电阻和电感组成的等效电路模型，该模型可应用于配电网的暂态分析，可以将燃料电池发电系统看做一个广义上的动态负荷来处理。燃料电池并网发电系统在配电网正常运行下，进一步研究了改变燃料电池参考输出值后燃料电池功率的输出特性曲线，提出了一种含有一个受控电流源、电容、电阻、电感所组成的等效电路模型，通过该等效电路模型可以得出燃料电池输出的等效传递函数，该传递函数可应用于微电网的潮流分析，最后通过参数辨识的方式得到了等效电路的模型。微电网的潮流控制可以减少微电网对大电网的冲击，本文针对光伏-燃料电池-蓄电池微电网系统设计了分层结构下微电网的潮流控制策略，并加入了运行计划，仿真结果表明有计划的潮流控制能够提高潮流控制的快速性。本文最后设计了一种基于潮流控制和状态跟踪器的.孤岛切换控制策略，仿真表明该控制策略能够有效地实现微电网从并网运行到孤岛运行的无缝切换。
夏文[9]2010年在《质子交换膜燃料电池动态模型与控制研究》文中研究表明随着能源危机和环境污染问题越来越严重,开发高效、低污染的能源技术已成世界各国的重大课题之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量密度高并且环保,特别适用于可移动电源。为了改进PEMFC系统的性能,优化系统的设计,则必须对PEMFC的运行过程和影响因素进行深入的研究。由于PEMFC系统本身的复杂性,需要考虑很多关键变量,故基于机理方法的PEMFC理论建模是非常艰难的过程。同时,在实际的发电过程中,为了提高PEMFC发电系统运行的稳定性和可靠性,必须采用可行的控制方法。本文首先建立了PEMFC系统的电化学参数模型和动态模型,然后运用自适应模糊PID控制器对电堆的输出电压进行控制和仿真研究。本论文的主要工作有：1)简要阐述了PEMFC的工作原理,主要部件的功能及PEMFC管理单元。介绍了PEMFC测控系统组成及其关键技术。2)基于燃料电池的电化学理论,利用Matlab/Simulink仿真工具建立了PEMFC系统的稳态模型,并通过仿真,分析了工作温度和反应气体的压力对电堆性能的影响。3)研究了电堆发电的动态特性,建立了PEMFC输出电压动态模型,主要研究了运行参数对电堆动态输出性能和非线性内阻产生的影响。将仿真结果与实验数据进行比较,表明所建模型是正确可行的。4)建立了自适应模糊PID控制器,其PID参数通过模糊逻辑推理来整定。基于叁阶系统的仿真结果表明了该控制器具有良好的性能。5)基于电堆的参数模型,分别利用PID控制器和自适应模糊PID控制器改变电堆入口氢气的流量,对电堆的输出电压进行控制。仿真结果表明,所建立的模型能较好的反映PEMFC的动态性能,自适应模糊PID控制器能更有效的对燃料电池的输出特性进行控制,保证系统的稳定运行。
武昱[10]2015年在《分布式发电系统仿真及其控制策略研究》文中研究指明基于可再生能源的分布式发电是国民经济可持续发展战略和环境保护的重要组成部分,也是优化能源结构推动能源多元化发展的必由之路,同时分布式发电为解决偏远地区的用电问题提供了有效的途径。本文建立了以风能和太阳能为主要能源的发电系统,由于风能和太阳能的随机性与间歇性导致系统无法为用户提供稳定的电能,因此将“燃料电池、电解池以及蓄电池组成的储能系统”作为系统的后续动力源,以提高分布式发电系统的稳定性和可靠性。为实现保证给用户提供稳定的电能的目标,本文主要完成以下工作:确定风力发电系统、光伏发电系统和燃料电池、电解池与蓄电池组成的储能系统的容量大小;建立分布式发电系统各组成部分的SIMULINK模型以及对模型进行整体集成并且对系统特性进行分析;以模型为基础,对该分布式发电系统的在不同的工况下(常规实时和特殊工况)进行系统特性分析和控制策略的仿真实验研究,用以研究检验所提出系统、模型以及控制策略的可靠性,重点在于解决在系统能量亏欠时,储能系统的能量输出及管理问题。在两组短时间的工况下对系统进行仿真研究,仿真结果表明,所建立的分布式发电系统可以较好的反应分布式发电系统的特性和在相应的控制策略下也可以为用户提供可靠的用电功率保证;以及在能量亏欠时,对蓄电池的控制可以为用户输出稳定的电能。基于以上研究,本文所建立的以风能和太阳能为主要能源,以燃料电池、电解池以及蓄电池为储能系统的分布式发电系统,及其对该系统控制策略的研究对可再生能源的发展和分布式发电系统在偏远地区的应用具有一定的借鉴意义。
参考文献：
[1]. 风电—质子交换膜燃料电池联合供电系统的特性仿真及能量管理[D]. 朱继敏. 山东大学. 2017
[2]. 燃料电池模型及其发电系统的研究[D]. 蔡惠红. 四川大学. 2003
[3]. 多能源微电网优化配置和经济运行模型研究[D]. 孙树娟. 合肥工业大学. 2012
[4]. 煤加氢气化及固体氧化物燃料电池数值模拟[D]. 王丽俐. 北京交通大学. 2007
[5]. 燃料电池DC/AC变换器主电路及其EMC研究[D]. 李鑫. 同济大学. 2008
[6]. 固体氧化物燃料电池（SOFC）的建模与仿真[D]. 芮菊. 上海交通大学. 2008
[7]. 考虑分布式发电影响的综合负荷建模研究[D]. 秦臻. 山东大学. 2017
[8]. 光伏—燃料电池—蓄电池微电网系统研究[D]. 竺健. 杭州电子科技大学. 2015
[9]. 质子交换膜燃料电池动态模型与控制研究[D]. 夏文. 南京理工大学. 2010
[10]. 分布式发电系统仿真及其控制策略研究[D]. 武昱. 重庆大学. 2015
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