光伏燃料电池混合发电系统控制设计与仿真研究

论文摘要

光伏燃料电池混合发电系统作为具有发展前途的自主式独立发电系统,可以同时向家庭用户供电供热,从而成为解决能源短缺和环境污染的一种有效途径。尽管有文献报道了示范系统和系统性能研究等方面工作,但是对混合系统的设计和控制方面的研究却很少。混合发电系统利用的太阳能和用户电热需求具有随机性,使得复杂发电系统满足用户需求成为研究与应用中的难点问题。本文研究的家用光伏燃料电池混合发电系统主要由光伏电池阵列、质子交换膜燃料电池、碱性电解槽和超级电容组成。以这个典型的混合发电系统为研究对象,以仿真技术为研究手段,以设计、控制和优化问题为研究重点,对混合发电系统进行系统研究,使设计实现的系统稳定、高效运行,满足用户的电能需求和热能需求,达到完全独立供电的使用要求。首先对系统的性能分析与设计问题进行研究。建立混合发电系统的性能预测模型,提出以储能系统供电分配系数和光伏阵列容量为核心的混合发电系统设计方法。建立的系统模型描述主要设备的工作特性和优先级调度策略,具有预测准确性和普遍适用性。从系统使用超级电容和氢储能系统(燃料电池、碱性电解槽和储氢装置)匹配系统中光伏电能和负载的分布出发,定义储能系统供电分配系数,提出以光伏电能和负载的全年日均分布、月分布为基础,以储能系统供电分配系数和光伏阵列容量为核心的设计方法。通过对算例的设计结果验证该方法能够有效准确地设计出混合发电系统配置。对三个典型的混合发电系统设计方案进行仿真研究,对它们的电能管理、氢能管理和主要设备工作时间进行分析和比较,研究不同系统配置对混合发电系统性能的影响,为混合发电系统设计方案选择和应用提供参考。重点研究混合发电控制系统的设计问题。设计的混合发电控制系统由电热能控制层和电热能调度层组成,电热调度层通过电热控制层间接控制混合发电系统。同时建立了混合发电系统动态模型,该模型描述全部主要设备动态特性,可供研究发电系统动态特性和控制器使用。在此基础上对混合发电系统控制问题展开研究。燃料电池发电过程的控制是设计实现电热控制层的难点问题,按照分块处理方式采用滑模控制技术和PID控制技术设计它的氧气化学计量比、阳极氢气压力与输出电流等主要参数控制器,采用滑模极点搜索控制技术设计了最大功率点跟踪控制器,仿真验证设计的控制器具有良好的动态性能,达到控制要求。提出一种自适应滑模控制器,实现氧气化学计量比与输出电流协调控制,提出采用电流控制参考信号给定氧气化学计量比控制器参信号,按照氧气化学计量比控制的动态特性整定电流滑模控制器参数的协调控制方案,仿真试验表明该方法具有良好的鲁棒性与动态性能,实现了协调控制要求。进一步研究混合发电系统电热能控制问题。对电能控制问题,提出分散化控制策略,把电能控制目标分散到系统中的各个设备作为设备控制目标,采用滑模控制技术设计设备控制器,然后综合得到混合发电系统的滑模控制器。这个控制器设计策略简单有效,适合混合发电系统控制器设计使用,得到的滑模控制器实现对被控变量的解耦控制,具有良好的动态性能,对发电系统工作模式变化、电负载扰动具有很好的抗干扰性能。为了解决混合发电系统工作温度问题,实现热能控制和利用,设计了热分系统来吸收和存储发电产生的富余热能,然后采用滑模控制技术设计燃料电池和碱性电解槽的温度控制器,达到了热能控制目的。最后对电热能调度层进行设计。根据混合发电系统周期性特征,定义电热调度目标函数,进而提出了基于系统预测的优化调度策略。提出把调度过程中的多变量多约束非线性函数优化问题简化为只有固定自变量取值范围约束的非线性函数优化问题的方法,使用常规算法求解。不同于文献报道的发展专用算法实现类似发电系统优化调度的复杂做法,方便实现混合发电系统的电热调度控制。采用优化调度控制的混合发电系统运行更加平稳,供电更加可靠,对其他混合发电系统的调度控制有着参考价值和应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 新能源现状和发展趋势
• 1.1.2 研究背景和意义
• 1.2 光伏混合自主发电系统
• 1.2.1 系统种类
• 1.2.2 系统结构
• 1.2.3 本文研究的发电系统
• 1.3 光伏燃料电池混合发电系统研究现状
• 1.4 主要工作
• 1.4.1 主要研究内容
• 1.4.2 主要创新点
• 第二章 混合发电系统的性能分析与设计
• 2.1 引言
• 2.2 性能预测模型
• 2.2.1 光伏电池模型
• 2.2.2 PEMFC 模型
• 2.2.3 碱性电解槽
• 2.2.4 储氢系统
• 2.2.5 超级电容模型
• 2.2.6 系统模型
• 2.2.7 优先级能源调度策略
• 2.3 系统设计
• 2.3.1 天气数据和负载数据
• 2.3.2 确定各部件容量
• 2.3.3 确定系统配置
• 2.4 系统分析
• 2.4.1 电能分析
• 2.4.2 氢能分析
• 2.4.3 时间分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 混合发电系统动态模型
• 3.1 引言
• 3.2 质子交换膜燃料电池动态模型
• 3.2.1 电化学模型
• 3.2.2 反应气体动态模型
• 3.2.3 热模型
• 3.3 碱性电解槽
• 3.3.1 电化学模型
• 3.3.2 热模型
• 3.4 超级电容模型
• 3.5 DC-DC 模型
• 3.6 DC-AC 模型
• 3.7 直流总线模型
• 3.8 混合系统的模型构造方法
• 3.9 本章小结
• 第四章 PEMFC 分系统发电过程的控制器设计
• 4.1 引言
• 4.2 PEMFC 反应气体控制
• 4.2.1 反应气体过程参数与PEMFC 性能
• 4.2.2 氧气化学计量比控制
• 4.2.3 阳极氢气压力控制
• 4.2.4 仿真试验
• 4.3 PEMFC 的电能控制
• 4.3.1 滑模控制技术
• 4.3.2 PEMFC 电流控制
• 4.3.3 PEMFC 最大功率点跟踪控制
• 4.4 PEMFC 协调控制设计
• 4.4.1 协调控制方案
• 4.4.2 协调控制器设计
• 4.4.3 仿真分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 混合发电系统电能控制器设计
• 5.1 引言
• 5.2 混合发电系统电能控制系统设计方案
• 5.3 混合系统的电能控制器设计
• 5.3.1 光伏电池阵列控制器设计
• 5.3.2 碱性电解槽控制
• 5.3.3 超级电容控制
• 5.3.4 DC-AC 逆变器控制
• 5.4 混合系统的电能控制器仿真研究
• 5.4.1 混合发电系统的工作模式
• 5.4.2 仿真分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 混合发电系统的热能控制与电热优化调度
• 6.1 引言
• 6.2 热能控制器设计
• 6.2.1 热分系统结构
• 6.2.2 热分系统模型
• 6.2.3 PEMFC 温度控制
• 6.2.4 碱性电解槽温度控制
• 6.3 混合发电系统的电热优化调度
• 6.3.1 电热联供
• 6.3.2 电热系统模型
• 6.3.3 优化调度目标
• 6.3.4 调度问题求解
• 6.3.5 电热调度过程
• 6.3.6 仿真结果分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学博士学位论文答辩决议书