基于虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电技术研究

发布时间：2017-08-01 22:15

  本文关键词：基于虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电技术研究

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【摘要】：以燃料电池等新能源为主的分布式发电越来越得到人们的关注,其在传统电网中所占比重也越来越大。而分布式发电系统中各个分布式电源都有同一输出接口(逆变器),若将这些逆变器控制策略统一成具有同步发电机特性的模型,那么现有电力系统中积淀的经验便可直接借鉴,这一控制思想称为虚拟同步发电机技术。本文建立了采用虚拟同步发电机技术的质子交换膜燃料电池发电系统,并搭建实验平台,验证其在孤岛模式运行和并网模式运行条件下系统的特性。本文分如下四个部分进行描述:第一个部分描述当前电力系统运行的种种弊端,引出建立分布式发电系统是解决这些问题的方向之一;阐述燃料电池发展概况并介绍了质子交换膜燃料电池模型的研究现状;给出了目前逆变器三相全控桥式结构和三种常用控制方法;着重分析了加入同步发电机电磁暂态过程的电压型虚拟同步发电机等效和控制方法;提出本文需要构建的质子交换膜燃料电池发电系统的技术要求。第二个部分使用半经验法构建了质子交换膜燃料电池的仿真模型,包括堆电压模型、燃料流量模型、动态分析简化模型及其外围设备等效模型;给出其对应的静态特性曲线和动态特性曲线,并分析不同温度下电池电压和功率曲线。第三个部分仿照同步电机的数学模型和控制方法,构建虚拟同步发电机的数学模型和控制方法,即建立虚拟同步发电机的电磁方程、转子运动方程、调速器控制方法及励磁器控制方法;引入双PI内环控制的方法用来更加逼近同步发电机模型,指出采用电压环作为双PI内环的弊端,设计了电流作为双PI内环的控制方法;给出控制策略中关键参数的选取方法和电路里滤波参数的设计方法;给出了虚拟同步发电机控制电路设计原理图和设计思路,包括主控板、拓展板、转接板、驱动板、采样板和显示板;简单介绍了控制软件编程基本思想。第四个部分搭建虚拟同步发电机控制孤岛模式运行和并网模式运行条件仿真,验证其和同步发电机一致性;并完成了采用虚拟同步发电机的质子交换膜燃料电池发电系统孤岛模式和并网条件下的仿真,仿真结果表明,本文搭建的质子交换膜燃料电池发电系统可以良好地输出指定功率,满足前文提出的技术要求,同时得到了虚拟同步发电机中转子惯量有助于消除直流变流器引起的输出电压、电流、功率的超调的结论。
【关键词】：质子交换膜燃料电池 虚拟同步发电机 直流变换器
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM61;TM911.4
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-24
• 1.1 研究工作的背景与意义10-11
• 1.2 国内外研究现状11-20
• 1.2.1 燃料电池技术的发展概况11-12
• 1.2.2 PEMFC模型研究现状12-13
• 1.2.3 接口逆变器控制理论研究现状13-20
• 1.3 燃料电池发电系统结构20-22
• 1.4 本文的主要工作、创新点及结构安排22-24
• 第二章 质子交换膜燃料电池系统与建模24-38
• 2.1 PEMFC的工作原理及动态特性24-26
• 2.1.1 PEMFC的工作原理24-25
• 2.1.2 PEMFC的动态特性25-26
• 2.2 PEMFC建模26-31
• 2.2.1 模型假设26
• 2.2.2 PEMFC数学模型26-31
• 2.3 PEMFC性能分析31-34
• 2.3.1 PEMFC静态特性31-33
• 2.3.2 PEMFC动态特性33-34
• 2.4 PEMFC发电系统34-37
• 2.4.1 DC/DC拓扑及其控制策略35-37
• 2.4.2 逆变器拓扑37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 虚拟同步发电机的原理及控制方法38-62
• 3.1 虚拟同步发电机的数学模型38-39
• 3.2 同步发电机的数学模型39-42
• 3.2.1 基本方程39-41
• 3.2.2 转子运动方程41
• 3.2.3 电磁暂态、电磁功率和端电压方程41-42
• 3.3 虚拟同步发电机的控制器42-51
• 3.3.1 虚拟同步发电机控制方法42
• 3.3.2 虚拟同步发电机的调速器42-44
• 3.3.3 虚拟同步发电机的励磁控制器44-47
• 3.3.4 双PI控制内环47-51
• 3.4 关键参数的确定51-53
• 3.4.1 转动惯量J51-52
• 3.4.2 暂态电势 'dE和q3.4.2E?52
• 3.4.3 滤波器设计52-53
• 3.5 样机实验平台搭建53-61
• 3.5.1 控制电路硬件设计54-59
• 3.5.2 控制软件设计59-61
• 3.6 本章小结61-62
• 第四章 仿真结果分析及实验62-73
• 4.1 虚拟同步发电机特性验证62-67
• 4.1.1 孤岛模式运行62-64
• 4.1.2 并网模式运行64-67
• 4.2 基于PEMFC的虚拟同步发电机仿真67-71
• 4.2.1 孤岛模式运行67-70
• 4.2.2 并网模式运行70-71
• 4.3 实验结果分析71-72
• 4.3.1 驱动信号波形71
• 4.3.2 逆变器阻性负载实验71-72
• 4.4 本章小结72-73
• 第五章 总结与展望73-75
• 5.1 总结73
• 5.2 存在的问题及展望73-75
• 致谢75-76
• 参考文献76-79
• 附件79-80
• 攻读硕士学位期间取得的成果80-81

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本文编号：606443