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《上海交通大学》 2007年
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独立的太阳能燃料电池联合发电系统的协调控制设计与仿真研究

李炜  
【摘要】: 目前,环境污染和能源紧缺是人类生存亟待解决的两大难题。科学家分析,石油、煤炭等不可再生能源只能维持三五十年即面临枯竭。因此,对清洁可再生能源的开发和利用,越来越受到世界各国的广泛重视。太阳能燃料电池(PVFC)联合发电系统在这样的背景下应运而生。将燃料电池与太阳能联合发电是最具发展前途的可再生能源利用途径之一,也是当前能源科学技术基础研究国际竞争的焦点之一。因此,联合发电技术一经提出,世界各国的电力科研院所、高等学校、电力公司和制造厂家便纷纷开展对该联合技术的研究和探索,并相继研制出实验装置,应用于实际电力系统作为示范工程。 太阳能燃料电池联合使用实际上是太阳能-氢能-燃料电池-电能-用户的能量输送链。其中燃料电池起到关键作用。本文利用太阳能和燃料电池各自的优点,针对能量管理系统多输入多输出、变化复杂的特点,参考国内国外相关项目的研究经验,设计了太阳能燃料电池联合发电系统,来满足负荷的需要,保持供/用电的功率平衡。这既是本文研究的难点之一,也是重点所在。本文从设计太阳能燃料电池联合发电系统面临的技术问题入手,首先建立了符合该系统特点的动态模型,然后对组成联合系统的子系统分别进行了控制和仿真分析,最后深入研究了整个系统的协调设计策略,从而完成太阳能燃料电池联合发电系统稳定运行的控制设计,为联合系统的实际开发和应用提供并积累理论指导。 主要成果归纳如下: 太阳能燃料电池联合发电系统具有能够稳定提供能量、降低能源消耗、实现对能源有效利用、环保等许多优点。但是由于联合发电系统目前在国内仅在仿真设计和研究阶段,与国外示范项目相比,经验欠缺,在系统的设计中有很多问题需要解决。因此,本文借鉴国外示范项目的操作和运行经验以及相关参考文献,针对联合系统设计中遇到的问题,逐一进行确定,为联合系统的仿真设计提供依据和保障。这些技术问题包括:设计原则和依据、组成部件选型、容量匹配、能量管理和控制光伏阵列与电解槽的连接方式、最大功率点跟踪、负载能量特点、功率转换装置在联合发电系统中的应用等等。对这些问题考虑的是否周全和详实关系到联合发电系统发电效率和性能的关键因素,也是设计太阳能燃料电池联合发电系统的依据。因此本文首先对这些技术问题进行了分析和研究,并且结合这些技术问题对太阳能燃料电池联合发电系统进行了设计。 在分析比较现有文献的基础上,依据本文设计的太阳能燃料电池联合发电系统的结构特点,分别建立光伏电池模型、电解槽模型、燃料电池模型、气体存储模型以及功率转换单元模型。由于PVFC联合发电系统结构复杂,涉及到电化学、传质学、传热学等多门学科知识,以及光生伏打原理、质量守恒、动量守恒、能量守恒、第一热力学定律等多种原理和定律,所以,首先对各子系统在不影响系统性能的基础上进行适当的假设和简化,然后根据各种原理和定律分别建立各子系统的动态数学模型。仿真分析显示这些动态模型能够正确反映各种操作参数的动态变化和系统电能、热能的输出特性,能够作为系统控制设计、性能分析和优化的有效工具。 以系统模型和仿真分析以及系统运行要求为基础,详细分析了各子系统稳定运行的控制设计方案,然后分别对子系统各项性能指标进行了控制设计和仿真。针对光伏发电系统采用了基于BP神经网络PID控制方法跟踪其最大功率。燃料电池的控制设计主要是电堆温度、压力和电压的控制,由于输入变量与输出变量为一对一关系,于是采用了单神经元PID控制,不但可以达到控制目的,而且可以实现在线自调整,提高了系统自主程度。与燃料电池相似,电解槽电堆也采用单神经元控制对电解槽的操作参数进行控制。 对复杂系统的实际运行来说,协调和控制设计十分重要,不仅是系统实际应用的前提,而且是改善系统性能的有效方法。为了满足联合发电系统对安全性、可靠性和连续性的要求,联合发电系统运行时影响性能的主要操作参数,包括温度、压力、电压、电流都要维持在稳定的理想状态,来避免由于负载变化引起操作参数偏离理想范围而导致系统性能下降,甚至永久性损害系统的状况发生。同时,针对太阳能燃料电池联合发电系统包含多设备、多调节变量以及复杂的能量管理,进行了完整的协调控制设计,使联合发电系统在实时稳定运行中满足负载用电要求。
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