光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計與仿真研究.pdf

1、光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)作為具有發(fā)展前途的自主式獨(dú)立發(fā)電系統(tǒng)，可以同時向家庭用戶供電供熱，從而成為解決能源短缺和環(huán)境污染的一種有效途徑。盡管有文獻(xiàn)報道了示范系統(tǒng)和系統(tǒng)性能研究等方面工作，但是對混合系統(tǒng)的設(shè)計和控制方面的研究卻很少。混合發(fā)電系統(tǒng)利用的太陽能和用戶電熱需求具有隨機(jī)性，使得復(fù)雜發(fā)電系統(tǒng)滿足用戶需求成為研究與應(yīng)用中的難點(diǎn)問題。本文研究的家用光伏燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)主要由光伏電池陣列、質(zhì)子交換膜燃料電池、堿性電解槽和超級電容組成。

2、以這個典型的混合發(fā)電系統(tǒng)為研究對象，以仿真技術(shù)為研究手段，以設(shè)計、控制和優(yōu)化問題為研究重點(diǎn)，對混合發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)研究，使設(shè)計實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)穩(wěn)定、高效運(yùn)行，滿足用戶的電能需求和熱能需求，達(dá)到完全獨(dú)立供電的使用要求。首先對系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計問題進(jìn)行研究。建立混合發(fā)電系統(tǒng)的性能預(yù)測模型，提出以儲能系統(tǒng)供電分配系數(shù)和光伏陣列容量為核心的混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方法。建立的系統(tǒng)模型描述主要設(shè)備的工作特性和優(yōu)先級調(diào)度策略，具有預(yù)測準(zhǔn)確性和普遍適用性。從系統(tǒng)

3、使用超級電容和氫儲能系統(tǒng)(燃料電池、堿性電解槽和儲氫裝置)匹配系統(tǒng)中光伏電能和負(fù)載的分布出發(fā)，定義儲能系統(tǒng)供電分配系數(shù)，提出以光伏電能和負(fù)載的全年日均分布、月分布為基礎(chǔ)，以儲能系統(tǒng)供電分配系數(shù)和光伏陣列容量為核心的設(shè)計方法。通過對算例的設(shè)計結(jié)果驗(yàn)證該方法能夠有效準(zhǔn)確地設(shè)計出混合發(fā)電系統(tǒng)配置。對三個典型的混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案進(jìn)行仿真研究，對它們的電能管理、氫能管理和主要設(shè)備工作時間進(jìn)行分析和比較，研究不同系統(tǒng)配置對混合發(fā)電系統(tǒng)性能的影響，

4、為混合發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計方案選擇和應(yīng)用提供參考。重點(diǎn)研究混合發(fā)電控制系統(tǒng)的設(shè)計問題。設(shè)計的混合發(fā)電控制系統(tǒng)由電熱能控制層和電熱能調(diào)度層組成，電熱調(diào)度層通過電熱控制層間接控制混合發(fā)電系統(tǒng)。同時建立了混合發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)模型，該模型描述全部主要設(shè)備動態(tài)特性，可供研究發(fā)電系統(tǒng)動態(tài)特性和控制器使用。在此基礎(chǔ)上對混合發(fā)電系統(tǒng)控制問題展開研究。燃料電池發(fā)電過程的控制是設(shè)計實(shí)現(xiàn)電熱控制層的難點(diǎn)問題，按照分塊處理方式采用滑?？刂萍夹g(shù)和PID控制技術(shù)設(shè)計它的氧氣化

5、學(xué)計量比、陽極氫氣壓力與輸出電流等主要參數(shù)控制器，采用滑模極點(diǎn)搜索控制技術(shù)設(shè)計了最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，仿真驗(yàn)證設(shè)計的控制器具有良好的動態(tài)性能，達(dá)到控制要求。提出一種自適應(yīng)滑?？刂破?，實(shí)現(xiàn)氧氣化學(xué)計量比與輸出電流協(xié)調(diào)控制，提出采用電流控制參考信號給定氧氣化學(xué)計量比控制器參信號，按照氧氣化學(xué)計量比控制的動態(tài)特性整定電流滑?？刂破鲄?shù)的協(xié)調(diào)控制方案，仿真試驗(yàn)表明該方法具有良好的魯棒性與動態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)了協(xié)調(diào)控制要求。進(jìn)一步研究混合發(fā)電系統(tǒng)電熱能

6、控制問題。對電能控制問題，提出分散化控制策略，把電能控制目標(biāo)分散到系統(tǒng)中的各個設(shè)備作為設(shè)備控制目標(biāo)，采用滑模控制技術(shù)設(shè)計設(shè)備控制器，然后綜合得到混合發(fā)電系統(tǒng)的滑模控制器。這個控制器設(shè)計策略簡單有效，適合混合發(fā)電系統(tǒng)控制器設(shè)計使用，得到的滑?？刂破鲗?shí)現(xiàn)對被控變量的解耦控制，具有良好的動態(tài)性能，對發(fā)電系統(tǒng)工作模式變化、電負(fù)載擾動具有很好的抗干擾性能。為了解決混合發(fā)電系統(tǒng)工作溫度問題，實(shí)現(xiàn)熱能控制和利用，設(shè)計了熱分系統(tǒng)來吸收和存儲發(fā)電產(chǎn)生的富

7、余熱能，然后采用滑?？刂萍夹g(shù)設(shè)計燃料電池和堿性電解槽的溫度控制器，達(dá)到了熱能控制目的。最后對電熱能調(diào)度層進(jìn)行設(shè)計。根據(jù)混合發(fā)電系統(tǒng)周期性特征，定義電熱調(diào)度目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)而提出了基于系統(tǒng)預(yù)測的優(yōu)化調(diào)度策略。提出把調(diào)度過程中的多變量多約束非線性函數(shù)優(yōu)化問題簡化為只有固定自變量取值范圍約束的非線性函數(shù)優(yōu)化問題的方法，使用常規(guī)算法求解。不同于文獻(xiàn)報道的發(fā)展專用算法實(shí)現(xiàn)類似發(fā)電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度的復(fù)雜做法，方便實(shí)現(xiàn)混合發(fā)電系統(tǒng)的電熱調(diào)度控制。采用優(yōu)化調(diào)度