獨(dú)立的太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)與仿真研究

1、獨(dú)立的太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)與仿真研究目前 , 環(huán)境污染和能源緊缺是人類生存亟待解決的兩大難題?？茖W(xué)家分析 , 石油、煤炭等不可再生能源只能維持三五十年即面臨枯竭。因此 , 對(duì)清潔可再生能源的開發(fā)和利用 , 越來越受到世界各國(guó)的廣泛重視。 太 陽(yáng)能燃料電池（PVFC）K合發(fā)電系統(tǒng)在這樣的背景下應(yīng)運(yùn)而生。將燃料電池與太陽(yáng)能聯(lián)合發(fā)電是最具發(fā)展前途的可再生能源利用途徑之一,也是當(dāng)前能源科學(xué)技術(shù)基礎(chǔ)研究國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)之一。因此, 聯(lián)合發(fā)電技術(shù)一經(jīng)提出 , 世界各國(guó)的電力科研院所、高等學(xué)校、電力公司和制造廠家便紛紛開展對(duì)該聯(lián)合技術(shù)的研究和探索, 并相繼研制出實(shí)驗(yàn)裝置, 應(yīng)用于實(shí)際電力系

2、統(tǒng)作為示范工程。太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合使用實(shí)際上是太陽(yáng)能-氫能 -燃料電池 - 電能 - 用戶的能量輸送鏈。其中燃料電池起到關(guān)鍵作用。本文利用太陽(yáng)能和燃料電池各自的優(yōu)點(diǎn) , 針對(duì)能量管理系統(tǒng)多輸入多輸出、變化復(fù)雜的特點(diǎn) , 參考國(guó)內(nèi)國(guó)外相關(guān)項(xiàng)目的研究經(jīng)驗(yàn), 設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng), 來滿足負(fù)荷的需要, 保持供 / 用電的功率平衡。這既是本文研究的難點(diǎn)之一 , 也是重點(diǎn)所在。本文從設(shè)計(jì)太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)面臨的技術(shù)問題入手, 首先建立了符合該系統(tǒng)特點(diǎn)的動(dòng)態(tài)模型, 然后對(duì)組成聯(lián)合系統(tǒng)的子系統(tǒng)分別進(jìn)行了控制和仿真分析 , 最后深入研究了整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)策略 , 從而完成太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)

3、合發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制設(shè)計(jì), 為聯(lián)合系統(tǒng)的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用提供并積累理論指導(dǎo)。 主要成果歸納如下: 太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)具有能夠穩(wěn)定提供能量、降低能源消耗、實(shí)現(xiàn)對(duì)能源有效利用、環(huán)保等許多優(yōu)點(diǎn)。但是由于聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)目前在國(guó)內(nèi)僅在仿真設(shè)計(jì)和研究階段, 與國(guó)外示范項(xiàng)目相比 , 經(jīng)驗(yàn)欠缺 , 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中有很多問題需要解決。因此, 本文借鑒國(guó)外示范項(xiàng)目的操作和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)參考文獻(xiàn), 針對(duì)聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計(jì)中遇到的問題 ,逐一進(jìn)行確定, 為聯(lián)合系統(tǒng)的仿真設(shè)計(jì)提供依據(jù)和保障。這些技術(shù)問題包括: 設(shè)計(jì)原則和依據(jù)、組成部件選型、容量匹配、能量管理和控制光伏陣列與電解槽的連接方式、 最大功率點(diǎn)跟蹤、 負(fù)載

4、能量特點(diǎn)、 功率轉(zhuǎn)換裝置在聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的應(yīng)用等等。 對(duì)這些問題考慮的是否周全和詳實(shí)關(guān)系到聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率和性能的關(guān)鍵因素 , 也是設(shè)計(jì)太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的依據(jù)。因此本文首先對(duì)這些技術(shù)問題進(jìn)行了分析和研究 , 并且結(jié)合這些技術(shù)問題對(duì)太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在分析比較現(xiàn)有文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上, 依據(jù)本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能燃料電池聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) , 分別建立光伏電池模型、電解槽模型、燃料電池模型、氣體存儲(chǔ)模型以及功率轉(zhuǎn)換單元模型。由于PVFC合發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及到電化學(xué)、傳質(zhì)學(xué)、傳熱學(xué)等多門學(xué)科知識(shí) , 以及光生伏打原理、質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒、第一熱力學(xué)定律等多種原

5、理和定律, 所以 , 首先對(duì)各子系統(tǒng)在不影響系統(tǒng)性能的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)募僭O(shè)和簡(jiǎn)化, 然后根據(jù)各種原理和定律分別建立各子系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。仿真分析顯示這些動(dòng)態(tài)模型能夠正確反映各種操作參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化和系統(tǒng)電能、 熱能的輸出特性, 能夠作為系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)、性能分析和優(yōu)化的有效工具。以系統(tǒng)模型和仿真分析以及系統(tǒng)運(yùn)行要求為基礎(chǔ), 詳細(xì)分析了各子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的控制設(shè)計(jì)方案, 然后分別對(duì)子系統(tǒng)各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行了控制設(shè)計(jì)和仿真。針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用了基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制方法跟蹤其最大功率。燃料電池的控制設(shè)計(jì)主要是電堆溫度、壓力和電壓的控制 , 由于輸入變量與輸出變量為一對(duì)一關(guān)系 , 于是采用了單神經(jīng)元 PID 控制 , 不但可以達(dá)到控制目的 ,而且可以實(shí)現(xiàn)在線自調(diào)整, 提高了系統(tǒng)自主程度。 與燃料電池相似, 電解槽電堆也采用單神經(jīng)元控制對(duì)電解槽的操作參數(shù)進(jìn)行控制。對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行來說 , 協(xié)調(diào)和控制設(shè)計(jì)十分重要, 不僅是系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用的前提 , 而且是改善系統(tǒng)性能的有效方法。為了滿足聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)對(duì)安全性、可靠性和連續(xù)性的要求, 聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)影響性能的主要操作參數(shù), 包括溫度、壓力、電壓、電流都要維持在穩(wěn)定的理想狀態(tài), 來避免由于負(fù)載變化引起操作參數(shù)偏離理想范圍而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降, 甚至永久