質(zhì)子交換膜燃料電池功率變換系統(tǒng)控制研究.pdf

1、能源問題和環(huán)境問題已成為制約全球經(jīng)濟快速發(fā)展的兩大重要因素,然而當前可再生能源的間歇性問題日漸成為其發(fā)展的技術(shù)瓶頸。以氫等為燃料的燃料電池是一種先進、清潔的新型能源,它具有能量密度大、發(fā)電效率高、噪音低和綠色無污染等特點。燃料電池與可再生能源相配合,可以組成高效、環(huán)保的能源體系,這不但有利于推動可再生能源的利用,也將為改善現(xiàn)有能源結(jié)構(gòu)、提高環(huán)境質(zhì)量提供一條有效的途徑。本文主要針對燃料電池特性和發(fā)電系統(tǒng)需求開展質(zhì)子交換膜燃料電池功率變換系

2、統(tǒng)控制的研究,主要包括三方面研究內(nèi)容:1、燃料電池高效率功率變換結(jié)構(gòu)分析與比較,2、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量管理與低頻紋波抑制策略,3、燃料電池功率變換系統(tǒng)控制構(gòu)架與穩(wěn)定性分析。
　　 本文第一章介紹了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用與前景、燃料電池的種類以及質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出特性等,并針對本文主要的研究工作,介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。
　　 目前燃料電池的成本較高,提高功率變換系統(tǒng)效率是充

3、分利用燃料電池輸出容量、提高發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟技術(shù)指標的關(guān)鍵。本文第二章主要針對中大功率應(yīng)用場合,對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)功率變換結(jié)構(gòu)和電路拓撲進行了分析與比較,并基于損耗模型進行功率變換電路的損耗分析,從中選擇效率最優(yōu)的解決方案,為燃料電池功率變換系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與拓撲選擇提供理論依據(jù)。
　　 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的能量管理對于延長燃料電池使用壽命,匹配負載特性需求具有重要的意義。本文第三章主要針對突變負載的沖擊和不平衡負載的低頻電流紋波問題開展

4、理論分析,提出一種兼有負載沖擊和低頻紋波抑制的能量管理策略,保證燃料電池輸出緩慢變化,阻隔低頻紋波進入燃料電池,并且有效地減小直流母線電容量,避免電解電容的使用。基于能量管理策略,進行了能量管理單元的控制環(huán)路設(shè)計、超級電容儲能陣列的儲能管理和儲能容量的最小化設(shè)計等,為燃料電池發(fā)電系統(tǒng)能量管理的實現(xiàn)提供工程化的設(shè)計方法。
　　 燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能直接取決于系統(tǒng)的控制方案與設(shè)計。本文第四章從燃料電池的特性,發(fā)電系統(tǒng)功能

5、需求和功率變換結(jié)構(gòu)出發(fā),提出一種適用于燃料電池三電子功率變換系統(tǒng)的控制構(gòu)架,并基于功率變換系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型給出了控制環(huán)路的設(shè)計方法。針對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中多變換器級聯(lián)的穩(wěn)定性問題,進行了系統(tǒng)級聯(lián)端口輸入輸出阻抗模型的推導(dǎo)和計算,并根據(jù)穩(wěn)定性判據(jù)分析燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性,為系統(tǒng)控制設(shè)計和優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。
　　 基于理論研究的成果,本文搭建了30kW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)實驗平臺。本文第五章著重介紹了實驗平臺的構(gòu)架,硬件和軟