文档介绍：湖南大学
博士学位论文
SOFC固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算
姓名:刘杨华
申请学位级别:博士
专业:电气工程
指导教师:吴政球
2010-04-08
SOFC 固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算
摘要
全球正面临着能源危机和环境污染、气候变化的压力。应用新能源发电随之
成为电力工业发展的时代课题。本文选择燃料电池中最具有商业前景的固体氧化
物燃料电池 SOFC(Solid Oxide Fuel Cell)作为研究对象,对其发电系统建模、并
网控制仿真以及微电网孤岛运行的潮流计算分析进行研究,旨在为 SOFC 等分布
式发电在电力系统中广泛应用提供理论参考。
根据 SOFC 发展趋势,选择平板式阳极支撑的中高温 SOFC(以下简称电池)
为研究对象。首先介绍其材料及结构,分析电池单体及堆栈的发电原理,用基于
电极的微观动态电化学电势(Electrochemical Electric potential model,ECE)模型
得到发电输出及控制特性。单体工作电压在 06V-09V 范围即稳态输出时,电池单
体及其堆栈输出特性呈线性。基于线性化理论和电路等效原理,对输出外特性曲
线进行简化,提出了对应操作条件下的电压源串联电阻(Voltage Source Series
Resistance,VSSR)模型和基于实验响应时间常数的可调控多级电压源串联电阻
(Multi-Voltage Sources Series Resistances - MVSSRs)模型。提出的等效模型简单
有效、易于接口,为含电池发电的系统稳态运行分析提供电路理论基础。
根据电池发电系统的特点,采用 PI 调节、电流滞环跟踪和 PWM 控制等手段,
通过对并网接口——三相逆变器的控制,实现对电池发电系统接入大电网的并网
控制。基于 Matlab 软件平台,以 5kW 的电池系统与大电网并网为例,进行动态控
制仿真。结果表明,经电池系统的反馈调节及并网逆变器门极电路的控制,可实
现该分布式电源逆变器输出侧的电压/电流/功率等调节,以平衡系统负荷波动的功
率需求;尽管电池系统仅能发出有功,经逆变器控制还可实现其无功输出控制;
从仿真结果并结合电池发电材料要求及控制响应时间等特性可知,电池并网发电
时,适于为系统基础负荷供电,不适于系统频率或电压稳定调节。
传统潮流计算需要设定系统平衡节点。然而目前分布式电源(以下简称电源)
的输出功率极其有限,且微型电网中电源一般无独立二次调频设备,故在孤岛运
行的微电网中无一电源能承担传统电力系统调频电厂的角色。基于上述控制仿真
研究,提出一种新的改进潮流计算方法,去掉平衡节点的设定,将电源视为松弛
PQ 节点。以三相对称的孤岛系统为例,推导出改进潮流算法的功率平衡方程和牛
顿-拉弗逊法求解过程中雅可比矩阵各元素的表达式。用环网结构的 5 节点系统和
树形结构的配电网 33 节点系统验证算法的合理有效性及不同拓扑结构的适应性。
线路不完全换位或者不平衡负荷等因素,往往造成实际潮流的三相不平衡。
采用相分量法对孤岛运行的三相不平衡潮流算法进行研究,考虑了变压器移相角
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博士学位论文
对潮流的影响以及线路参数的相间耦合,推导出三相不平衡潮流的功率平衡方程
以及雅可比矩阵各元素的表达式,并用 5 节点系统进行验证。
三相平衡/不平衡潮流计算分析采用多种方案,详细比较不同分布式电源及其
有功/无功调节能力、电源不同出力及位置、不同负载条件,以及采用不同的负荷
模型及其电压/频率静态调节特性等各种情况。与传统潮流算法的计算结果比较表
明,改进潮流算法物理意义明确,计算简单,计算潮流的同时反映系统频率的变
化,比传统的潮流算法更适于孤岛运行微电网的三相平衡/不平衡潮流计算。同时
可知电池应用于孤岛运行的微电网发电时,特别是在三相不平衡系统中,需要与
其他供电形式配合,更有利于系统的稳定运行。
关键词:固体氧化物燃料电池;分布式发电;线性化电路等效模型;并网控制仿
真;微网孤岛运行;三相平衡/不平衡潮流计算
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SOFC 固体氧化物燃料电池分布式发电系统仿真及其潮流计算
Abstract
Electrical power demanding is increasing with the development of the whole
society. More and more energy consumption causes depletion of fossil paring
with their growing spe