燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的建模與仿真.pdf

1、燃料電池作為一種高效、清潔的發(fā)電方式已成為21世紀(jì)繼火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電之后的第四代發(fā)電技術(shù)。本文從電力系統(tǒng)建模和仿真的角度全面分析了燃料電池這一新型“發(fā)電機(jī)”的發(fā)電原理和特性，對(duì)其發(fā)電特性和控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真，以研究其作為新型“發(fā)電機(jī)”在不同外部需求信號(hào)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，并進(jìn)一步討論了燃料電池DC/AC逆變系統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)和控制。 燃料電池等溫地按電化學(xué)方式直接將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。因此本文首先全面分析燃料電池發(fā)電技術(shù)

2、的化學(xué)原理，將其與傳統(tǒng)的熱機(jī)發(fā)電方式進(jìn)行比較。燃料電池不經(jīng)過熱機(jī)過程，不受卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化效率高，環(huán)境友好，幾乎不排放氮的氧化物和硫的氧化物。因此燃料電池在作為固定式發(fā)電站的應(yīng)用上具有廣闊的前景。 本文認(rèn)為最適合作為固定式發(fā)電站-特別是滿足區(qū)域性供電需求的燃料電池的選擇必須從發(fā)電能力、使用壽命、商業(yè)可行性、運(yùn)行的可靠性這幾方面考慮。另外，對(duì)于一些發(fā)電能力充足、運(yùn)行可靠，但是由于某一方面的技術(shù)限制還處于試驗(yàn)階段的燃料電池，

3、則著眼于這種技術(shù)難點(diǎn)突破的可能性和性價(jià)比。通過對(duì)各種類型的燃料電池技術(shù)狀態(tài)和商業(yè)化程度的對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)堿性燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、直接甲醇燃料電池由于發(fā)電功率和其它一些技術(shù)條件的限制無法作為區(qū)域性電站實(shí)現(xiàn)供電。而就發(fā)電能力和運(yùn)行可靠性而言磷酸燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物燃料電池最有可能作為固定電站用于區(qū)域性供電。其中磷酸燃料電池是目前惟一可以獲得商業(yè)化的燃料電池類型。 因此本文選擇磷酸燃料電池發(fā)電站作為典型

4、燃料電池系統(tǒng)結(jié)合燃料電池發(fā)電系統(tǒng)共性進(jìn)行數(shù)學(xué)建模和仿真。數(shù)學(xué)建模時(shí)重點(diǎn)討論燃料電池的燃料供應(yīng)系統(tǒng)模型、等值電路模型、控制系統(tǒng)模型等。本文提出兩種改進(jìn)燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的方法，仿真結(jié)果表明改進(jìn)效果明顯。燃料電池的特性決定了它的本體控制主要是電流控制，而電壓控制和調(diào)節(jié)主要是由DC/AC逆變系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。文中針對(duì)不同類型的燃料電池發(fā)電站討論了其逆變方式及電壓跟蹤調(diào)節(jié)策略。 文章最后指出燃料電池作為一種高效、清潔的新能源發(fā)電技術(shù)，以其

5、無與倫比的優(yōu)越性已經(jīng)受到世界各國政府和科研機(jī)構(gòu)的高度重視，是當(dāng)今科技界最前沿的研究熱點(diǎn)之一。燃料電池涉及到電化學(xué)以及電催化、熱力學(xué)、膜科學(xué)與工程、微尺度傳熱與傳質(zhì)學(xué)、多相流體力學(xué)、自動(dòng)控制等諸多學(xué)科，是典型的學(xué)科交叉技術(shù)。在新的發(fā)展形勢(shì)下如何將燃料電池大規(guī)模地投入運(yùn)用，特別是實(shí)現(xiàn)燃料電池供電。這一方面取決于燃料電池制造技術(shù)的逐步成熟；另一方面電力系統(tǒng)學(xué)科的任務(wù)將是研究燃料電池供電下的電力系統(tǒng)的特性與運(yùn)行控制。下一步的研究則應(yīng)當(dāng)把重點(diǎn)放在