【自動化】千瓦級燃料電池發(fā)電系統(tǒng)建模與設計 開題報告

附件2本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告學生姓名付豪導師姓名、職稱黃亮副教授所屬學院自動化專業(yè)班級電氣1001班設計（論文）題目年月日1目的及意義（含國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀分析）11主要研究內(nèi)容和意義當前，傳統(tǒng)化石能源日益枯竭，全球性的能源危機、環(huán)境污染以及生態(tài)問題促使人們越來越重視風能、太陽能等可再生能源以及燃料電池等綠色能源的的開發(fā)與利用。以電化學反應方式將化學能直接轉化為電能的燃料電池，以其高效、清潔等優(yōu)勢，在未來有望成為一種重要的能源形式并得到廣泛的應用。在質子交換膜燃料電池中，由于氣壓、濕度等都是由機械裝置來控制的，受這些裝置的反應速度的限制造成燃料電池動態(tài)響應比較慢。在負載突然變化的時候，燃料電池的輸出電壓、輸出電流要經(jīng)過一段比較長的時間（秒級）才能建立起來。同時，在新的穩(wěn)態(tài)建立以前，電池內(nèi)部可能因為局部溫度、氣壓、濕度等超標而影響燃料電池壽命。因此，為了保證燃料電池輸出持續(xù)而穩(wěn)定的直流電，必須配以電能變換器來改善系統(tǒng)的輸出性能，并配以蓄電池保證在負載突變時為其提供穩(wěn)定的直流。12國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述121國外研究現(xiàn)狀發(fā)達國家都將大型燃料電池的開發(fā)作為重點研究項目，企業(yè)界也紛紛斥以巨資，從事燃料電池技術的研究與開發(fā)，已取得了許多重要成果，使得燃料電池即將取代傳統(tǒng)發(fā)電機及內(nèi)燃機而廣泛應用于發(fā)電及汽車上。值得注意的是這種重要的新型發(fā)電方式可以大大降低空氣污染及解決電力供應、電網(wǎng)調(diào)峰問題，2MW、45MW、11MW成套燃料電池發(fā)電設備已進入商業(yè)化生產(chǎn)，各等級的燃料電池發(fā)電廠相繼在一些發(fā)達國家建成。燃料電池的發(fā)展創(chuàng)新將如百年前內(nèi)燃機技術突破取代人力造成工業(yè)革命，也像電腦的發(fā)明普及取代人力的運算繪圖及文書處理的電腦革命，又如網(wǎng)絡通訊的發(fā)展改變了人們生活習慣的信息革命。燃料電池的高效率、無污染、建設周期短、易維護以及低成本的潛能將引爆21世紀新能源與環(huán)保的綠色革命。如今，在北美、日本和歐洲，燃料電池發(fā)電正以急起直追的勢頭快步進入工業(yè)化規(guī)模應用的階段，將成為21世紀繼火電、水電、核電后的第四代發(fā)電方式。燃料電池技術在國外的迅猛發(fā)展必須引起我們的足夠重視，它已是能源、電力行業(yè)不得不正視的課題。122國內(nèi)研究現(xiàn)狀在中國的燃料電池研究始于1958年，原電子工業(yè)部天津電源研究所最早開展了MCFC的研究。70年代在航天事業(yè)的推動下，中國燃料電池的研究曾呈現(xiàn)出第一次高潮。其間中國科學院大連化學物理研究所研制成功的兩種類型的堿性石棉膜型氫氧燃料電池系統(tǒng)（千瓦級AFC）均通過了例行的航天環(huán)境模擬試驗。1990年中國科學院長春應用化學研究所承擔了中科院PEMFC的研究任務，1993年開始進行直接甲醇質子交換膜燃料電池（DMFC）的研究。電力工業(yè)部哈爾濱電站成套設備研究所于1991年研制出由7個單電池組成的MCFC原理性電池?！鞍宋濉逼陂g，中科院大連化學物理研究所、上海硅酸鹽研究所、化工冶金研究所、清華大學等國內(nèi)十幾個單位進行了與SOFC的有關研究。到90年代中期，由于國家科技部與中科院將燃料電池技術列入“九五“科技攻關計劃的推動，中國進入了燃料電池研究的第二個高潮。在中國科學工作者在燃料電池基礎研究和單項技術方面取得了不少進展，積累了一定經(jīng)驗。但是，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數(shù)量很少，就燃料電池技術的總體水平來看，與發(fā)達國家尚有較大差距。我國有關部門和專家對燃料電池十分重視，1996年和1998年兩次在香山科學會議上對中國燃料電池技術的發(fā)展進行了專題討論，強調(diào)了自主研究與開發(fā)燃料電池系統(tǒng)的重要性和必要性。近幾年中國加強了在PEMFC方面的研究力度。2000年大連化學物理研究所與中科院電工研究所已完成30KW車用用燃料電池的全部試驗工作，北京富源公司當時也宣布2001年將提供40KW的中巴燃料電池，并接受訂貨?？萍疾扛辈块L徐冠華當時也在EVS16屆大會上宣布，中國將在2000年裝出首臺燃料電池電動車。10年前，我國尚生產(chǎn)不出1臺幾千瓦的燃料電池堆，現(xiàn)在卻可以生產(chǎn)出幾百千瓦的燃料電池電堆，且體積功率密度和質量功率密度、壽命、效率都有較大提高，燃料電池大巴車、小客車在奧運會上示范運行取得成功。目前我國有規(guī)模的燃料電池生產(chǎn)廠家達到6家，能夠研發(fā)燃料電池的高等院校有60多所。哈爾濱工程大學、北京理工大學、中國科學院大連化學物理研究所等單位相繼成功組裝了PEMFC單體、電動車用PEMFC石墨電堆和千瓦級質子交換膜燃料電池組，電池組的性能已達到國際先進水平，具備了商業(yè)開發(fā)的條件。燃料電池汽車時“十五”期間全國12個重大研究專項之一。上海大眾汽車還成立了100多人的專業(yè)隊伍，投資約10億元研發(fā)電池汽車。2研究的基本內(nèi)容、擬采用的技術方案及措施本設計旨在基于MATLAB軟件建立一個燃料電池模型，并根據(jù)伏安特性論述燃料電池輸出與紋波關系，最終建立一個包含燃料電池、DC/DC變換器以及蓄電池的系統(tǒng)級模型。針對質子交換膜燃料電池輸出動態(tài)響應較慢的缺陷，應設計一個適當?shù)腄C/DC變換器使燃料電池輸出穩(wěn)定在一個恒定的功率點，以免燃料電池不穩(wěn)定的輸出紋波影響負載的工作或者危害燃料電池本身。同時，在負載端并接一個輸出可調(diào)的蓄電池，當負載增大或減小時，通過蓄電池補足或者吸收電能，以保證負載在恒定的直流下安全可靠的工作。本設計的硬件結構框圖如圖1所示，包括燃料電池、DC/DC變換器、蓄電池以及負載。其中DC/DC變換器擬采用升壓斬波電路（BOOSTCHOPPER），在提高燃料電池輸出電壓的同時，將電壓穩(wěn)定在一個恒定的功率點。當燃料電池經(jīng)DC/DC變換器輸出穩(wěn)定后，可以通過改變蓄電池的輸出來適應負載的需求。圖1系統(tǒng)硬件圖3進度安排第1周開始進行畢業(yè)設計（論文）第34周學生根據(jù)網(wǎng)上指導教師擬定的任務，在查閱相關資料后遵照教師要求網(wǎng)上提交并完成開題報告。第5周進行開題報告審查。第9周各教研室教學主任在網(wǎng)上進行畢業(yè)設計（論文）中期檢查，檢查情況燃料電池組DC/DC變換器負載蓄電池報學院教學辦。第13周學生上傳畢業(yè)論文。第14周學生提出答辯申請。第15周準備答辯。第16周（6月35日）畢業(yè)設計（論文）評優(yōu)答辯和普通答辯。4閱讀的參考文獻1林飛,杜欣電力電子應用技術的MATLAB仿真北京中國電力出版社,20082陳堅，電力電子學電力電子變換和控制技術北京高等教育出版社，20023朱國榮,KHLOO,YMLAI燃料電池實時電阻匹配最大功率跟蹤法中國電機工程學報VOL31,NO26,SEP20114王兆安,劉進軍電力電子技術北京機械工業(yè)出版社,20095ZHU,GRTAN,SCCHEN,YTSE,CK,“MITIGATIONOFLOWFREQUENCYCURRENTRIPPLEINFUELCELLINVERTERSYSTEMSTHROUGHWAVEFORMCONTROL“,IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,VOL28,ISSUE2,PP779792,20136孔憲文,桂敏言，馮玉全燃料電池發(fā)電技術現(xiàn)狀與前景東北電力技術，2002,328337楊天浩新能源與電能變換系統(tǒng)集成，技術融合即應用展望電源世界2006,6168肖剛燃料電池技術北京電子工業(yè)出版社,20099周未，王金全，仲未秧PEM燃料電池的應用前景電池工業(yè)2004,8420821210劉明義，鄭強，蔣利軍小功率PEM燃料電池系統(tǒng)及應用進展電池工業(yè)2005，10（2）11011311GRZHU,SCTAN,KWWANG,ANDCHIKTSE,“WAVEFORMCONTROLOFFUELCELLINVERTERSYSTEMS“2012IEEEENERGYCONVERSIONCONGRESSANDEXPOSITIONECCE,PP44574463,NCSU,USA,SEP201212BPSTATISTICALREVIEWOFWORLDENERGYJUNE2005GENEVABP,200513FPROF