光伏—燃料电池—蓄电池微电网系统研究

【摘要】：随着环境的日益恶化和能源的枯竭，人们越来越重视可再生分布式能源的发展，其中如何提高分布式能源的发电效率和系统供电可靠性是研究的重点。微电网包含分布式发电装置，例如光伏发电、燃料电池、风力发电和微型燃气轮机、储能装置、敏感负荷及可控负荷。微电网可以并网运行，也可以孤岛运行。无论哪种模式之下，微电网运行控制目标首先是保证系统稳定性，然后是充分考虑微电网的运行经济性。 燃料电池是一种先进的清洁能源，具有能量转换效率高、能量密度大、可控性强、运行噪音低、低热辐射和低排放无污染等优点。质子交换膜燃料电池是本文研究的重点，本文针对光伏-燃料电池-蓄电池微电网发电系统展开了深入的研究。 首先根据光伏发电单元、燃料电池、蓄电池的数学模型建立了仿真模型，并对它们的输出特性进行了分析。针对上述各分布式电源的输出特性设计了逆变器的拓扑结构。光伏发电特性易受环境因素(辐照量、温度)的影响，光伏单元采用电导增量法的MPPT控制策略，针对燃料电池和蓄电池介绍了PQ、V/F以及Droop控制策略，PQ控制策略主要应用于并网运行，V/F控制策略应用于孤岛运行状态。 质子交换膜燃料电池输出具有软特性，并网发电系统需要通过DC/DC和DC/AC并入配电网，并采用PQ控制策略控制输出。通过研究在配电网发生故障导致电压跌落过程中燃料电池输出功率的暂态特性，本文提出了一种由一个电压源、电阻和电感组成的等效电路模型，该模型可应用于配电网的暂态分析，可以将燃料电池发电系统看做一个广义上的动态负荷来处理。燃料电池并网发电系统在配电网正常运行下，进一步研究了改变燃料电池参考输出值后燃料电池功率的输出特性曲线，提出了一种含有一个受控电流源、电容、电阻、电感所组成的等效电路模型，通过该等效电路模型可以得出燃料电池输出的等效传递函数，该传递函数可应用于微电网的潮流分析，最后通过参数辨识的方式得到了等效电路的模型。 微电网的潮流控制可以减少微电网对大电网的冲击，本文针对光伏-燃料电池-蓄电池微电网系统设计了分层结构下微电网的潮流控制策略，并加入了运行计划，仿真结果表明有计划的潮流控制能够提高潮流控制的快速性。本文最后设计了一种基于潮流控制和状态跟踪器的.孤岛切换控制策略，仿真表明该控制策略能够有效地实现微电网从并网运行到孤岛运行的无缝切换。 【关键词】：微电网 分布式电源 燃料电池 光伏电池 蓄电池 动态模型 潮流控制 无缝切换
【学位授予单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TM910
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-20
• 1.1 课题研究的背景和意义11-12
• 1.2 微网的概念及其组成12-13
• 1.3 国内外微电网研究现状13-17
• 1.3.1 国外微电网研究现状13-16
• 1.3.2 国内微电网研究现状16-17
• 1.4 燃料电池的研究现状17-18
• 1.5 光伏/燃料电池/蓄电池混合系统研究现状18
• 1.6 本文主要工作18-20
• 第二章 分布式电源及其控制策略概述20-27
• 2.1 典型分布式电源及其存储装置20-21
• 2.1.1 光伏发电20
• 2.1.2 燃料电池20-21
• 2.1.3 蓄电池21
• 2.2 分布式电源控制策略分析21-26
• 2.2.1 微电源逆变主电路拓扑结构21-22
• 2.2.2 恒功率（PQ）控制22-24
• 2.2.3 Droop 控制24-25
• 2.2.4 V/F 控制25-26
• 2.3 本章小结26-27
• 第三章 光伏、蓄电池发电单元建模与控制27-40
• 3.1 光伏发电单元27-34
• 3.1.1 光伏电池数学模型及仿真27-28
• 3.1.2 光伏电池仿真分析28-29
• 3.1.3 最大功率跟踪29-32
• 3.1.4 MPPT 仿真分析32-34
• 3.3 蓄电池34-38
• 3.3.1 蓄电池单元模型34-37
• 3.3.2 蓄电池并网控制37
• 3.3.3 蓄电池并网控制策略仿真分析37-38
• 3.4 本章小结38-40
• 第四章 燃料电池发电系统建模、控制与等效描述40-57
• 4.1 质子交换膜燃料电池单元40-47
• 4.1.1 质子交换膜燃料电池动态模型40-42
• 4.1.2 燃料电池的电流-电压模型42-44
• 4.1.3 燃料电池入口流率控制模型44-45
• 4.1.4 燃料电池的仿真分析45-47
• 4.2 燃料电池发电系统的控制策略47-50
• 4.2.1 DC/DC 电路的建模与仿真48-49
• 4.2.2 燃料电池 PQ 控制策略49-50
• 4.3 等效电压模型50-53
• 4.3.1 暂态过程中 PEMFC 的动态特性50-51
• 4.3.2 PEMFC 在电网电压跌时的等效模型描述51-52
• 4.3.3 系统模型参数辨识52-53
• 4.4 等效电流模型53-56
• 4.4.1 PEMFC 输出特性仿真的设计和分析53-54
• 4.4.2 PEMFC 在电网中改变输出功率的等效模型描述54-55
• 4.4.3 系统模型参数辨识55
• 4.4.4 质子交换膜燃料电池功率传递函数55-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 微电网并网运行控制57-68
• 5.1 微电网控制模式57-60
• 5.1.1 主从控制模式57-58
• 5.1.2 对等控制模式58-59
• 5.1.3 分层控制模式59-60
• 5.2 光伏-燃料电池-蓄电池发电系统并网潮流控制60-67
• 5.2.1 微电网组成60-61
• 5.2.2 潮流控制61-65
• 5.2.3 有运行计划的潮流控制65-67
• 5.3 本章小结67-68
• 第六章 微电网无缝切换运行控制68-74
• 6.1 光伏-燃料电池-蓄电池发电系统无缝切换控制68-70
• 6.2 带状态跟踪器的微电网无缝切换70-72
• 6.3 本章小结72-74
• 第七章 结论和展望74-76
• 7.1 结论74
• 7.2 展望74-76
• 致谢76-77
• 参考文献77-81
• 附录81

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