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SOFC固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算

作　者: 刘杨华
导　师: 吴政球
学　校: 湖南大学
专　业: 电气工程
关键词: 固体氧化物燃料电池分布式发电线性化电路等效模型并网控制仿真微网孤岛运行三相平衡/不平衡潮流计算
分类号: TM911.4
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

全球正面临着能源危机和环境污染、气候变化的压力。应用新能源发电随之成为电力工业发展的时代课题。本文选择燃料电池中最具有商业前景的固体氧化物燃料电池SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)作为研究对象,对其发电系统建模、并网控制仿真以及微电网孤岛运行的潮流计算分析进行研究,旨在为SOFC等分布式发电在电力系统中广泛应用提供理论参考。根据SOFC发展趋势,选择平板式阳极支撑的中高温SOFC(以下简称电池)为研究对象。首先介绍其材料及结构,分析电池单体及堆栈的发电原理,用基于电极的微观动态电化学电势(Electrochemical Electric potential model,ECE)模型得到发电输出及控制特性。单体工作电压在06V-09V范围即稳态输出时,电池单体及其堆栈输出特性呈线性。基于线性化理论和电路等效原理,对输出外特性曲线进行简化,提出了对应操作条件下的电压源串联电阻(Voltage Source Series Resistance,VSSR)模型和基于实验响应时间常数的可调控多级电压源串联电阻(Multi-Voltage Sources Series Resistances - MVSSRs)模型。提出的等效模型简单有效、易于接口,为含电池发电的系统稳态运行分析提供电路理论基础。根据电池发电系统的特点,采用PI调节、电流滞环跟踪和PWM控制等手段,通过对并网接口——三相逆变器的控制,实现对电池发电系统接入大电网的并网控制。基于Matlab软件平台,以5kW的电池系统与大电网并网为例,进行动态控制仿真。结果表明,经电池系统的反馈调节及并网逆变器门极电路的控制,可实现该分布式电源逆变器输出侧的电压/电流/功率等调节,以平衡系统负荷波动的功率需求;尽管电池系统仅能发出有功,经逆变器控制还可实现其无功输出控制;从仿真结果并结合电池发电材料要求及控制响应时间等特性可知,电池并网发电时,适于为系统基础负荷供电,不适于系统频率或电压稳定调节。传统潮流计算需要设定系统平衡节点。然而目前分布式电源(以下简称电源)的输出功率极其有限,且微型电网中电源一般无独立二次调频设备,故在孤岛运行的微电网中无一电源能承担传统电力系统调频电厂的角色。基于上述控制仿真研究,提出一种新的改进潮流计算方法,去掉平衡节点的设定,将电源视为松弛PQ节点。以三相对称的孤岛系统为例,推导出改进潮流算法的功率平衡方程和牛顿-拉弗逊法求解过程中雅可比矩阵各元素的表达式。用环网结构的5节点系统和树形结构的配电网33节点系统验证算法的合理有效性及不同拓扑结构的适应性。线路不完全换位或者不平衡负荷等因素,往往造成实际潮流的三相不平衡。采用相分量法对孤岛运行的三相不平衡潮流算法进行研究,考虑了变压器移相角对潮流的影响以及线路参数的相间耦合,推导出三相不平衡潮流的功率平衡方程以及雅可比矩阵各元素的表达式,并用5节点系统进行验证。三相平衡/不平衡潮流计算分析采用多种方案,详细比较不同分布式电源及其有功/无功调节能力、电源不同出力及位置、不同负载条件,以及采用不同的负荷模型及其电压/频率静态调节特性等各种情况。与传统潮流算法的计算结果比较表明,改进潮流算法物理意义明确,计算简单,计算潮流的同时反映系统频率的变化,比传统的潮流算法更适于孤岛运行微电网的三相平衡/不平衡潮流计算。同时可知电池应用于孤岛运行的微电网发电时,特别是在三相不平衡系统中,需要与其他供电形式配合,更有利于系统的稳定运行。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-25
  1.1 引言  12-13
  1.2 本文的选题背景及意义  13-15
  1.3 分布式发电的发展和研究现状  15-20
    1.3.1 分布式发电的简介  15-16
    1.3.2 分布式发电的研究现状  16-20
  1.4 燃料电池的发展和应用现状  20-21
  1.5 SOFC 的研究简介和应用前景  21-22
  1.6 本文的主要工作  22-25
第2章 SOFC 的发电原理及其建模研究  25-47
  2.1 中高温 SOFC 电池单体及堆栈的材料及结构  25-28
    2.1.1 SOFC 电池单体的材料及结构  26-27
    2.1.2 SOFC 电池堆栈的材料及结构  27-28
  2.2 SOFC 电池单体及堆栈的发电原理  28-32
    2.2.1 电化学反应原理  28-31
    2.2.2 能量转化分析  31-32
  2.3 微观电化学电势 ECE 动态模型  32-40
    2.3.1 ECE 模型推导  33-38
    2.3.2 基于 ECE 模型的输出特性曲线  38-40
  2.4 线性化电压源串联电阻 VSSR 模型  40-44
    2.4.1 ECE 模型输出特性曲线线性化分析  40-41
    2.4.2 ECE 模型与 VSSR 模型比较误差分析  41-44
  2.5 多级电压源串联电阻 MVSSRs 模型  44-45
  2.6 模型实际应用存在的问题  45-46
  2.7 小结  46-47
第3章 SOFC 分布式发电系统的并网控制仿真  47-74
  3.1 SOFC 分布式发电系统的效率及其优化  47-50
    3.1.1 SOFC 分布式发电系统的效率计算  47-48
    3.1.2 SOFC 分布式发电系统的效率优化控制研究  48-50
  3.2 SOFC 电池单体及堆栈发电的系统控制仿真  50-56
    3.2.1 SOFC 单体发电的控制仿真分析  51-52
    3.2.2 SOFC 堆栈加载简单负荷仿真分析  52-54
    3.2.3 SOFC 发电系统的反馈控制  54-56
  3.3 并网接口及其控制研究  56-65
    3.3.1 PI 控制环节  57-59
    3.3.2 DC - AC 逆变器  59-60
    3.3.3 P W M 脉宽调制技术  60-61
    3.3.4 采用滞环比较的电流跟踪 PWM 控制  61-65
  3.4 SOFC 发电系统并网控制仿真  65-72
    3.4.1 系统描述及有关参数  65-66
    3.4.2 仿真计算流程及控制方案  66
    3.4.3 仿真模型搭建及其说明  66-68
    3.4.4 仿真分析方案设置  68-69
    3.4.5 仿真结果分析及其讨论  69-72
  3.5 小结  72-74
第4章孤岛运行的微电网三相对称潮流计算研究  74-94
  4.1 孤岛运行的微电网  74-76
    4.1.1 孤岛的形成及定义  74-75
    4.1.2 微电网的孤岛运行控制的特点  75-76
  4.2 孤岛运行微电网的潮流算法的改进要点  76-78
    4.2.1 计及分布式发电的三相潮流计算  76-77
    4.2.2 现有方法的不足及其改进要点  77-78
  4.3 孤岛运行微电网的改进潮流算法的推导  78-85
    4.3.1 节点类型分析  79-80
    4.3.2 节点功率方程  80
    4.3.3 节点功率平衡方程  80-82
    4.3.4 雅可比矩阵分块及元素  82-83
    4.3.5 计算流程  83-85
  4.4 算例分析  85-93
    4.4.1 分析说明  85
    4.4.2 环网结构5 节点系统  85-90
    4.4.3 配电网链式结构33 节点系统  90-93
  4.5 小结  93-94
第5章孤岛运行的微电网三相不对称潮流计算研究  94-110
  5.1 研究孤岛运行的微电网三相不对称潮流计算的背景与意义  94-95
  5.2 三相潮流计算的方法比较  95-97
    5.2.1 三相潮流计算方法概述  95-96
    5.2.2 孤岛微网的三相潮流计算方法选择  96-97
  5.3 孤岛微网三相潮流改进算法的推导  97-102
    5.3.1 考虑相间耦合的支路方程及导纳  97
    5.3.2 考虑变压器移相角的导纳矩阵  97-100
    5.3.3 节点功率平衡方程  100-101
    5.3.4 雅可比矩阵及其元素  101-102
  5.4 算例分析  102-109
    5.4.1 有关参数及系统说明  102-103
    5.4.2 参数及不同计算方案设置  103-104
    5.4.3 计算结果  104-108
    5.4.4 结果讨论  108-109
  5.5 小结  109-110
结论  110-113
参考文献  113-124
致谢  124-126
附录 A（攻读学位期间所发表的学术论文目录）  126-127
附录 B（攻读学位期间所参加的科研工作）  127

SOFC固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算

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