基于PV/SOFC混合发电系统的建模及性能仿真研究

摘要

随着化石能源的日渐枯竭以及环境问题的日益突出，世界各国越来越重视清洁可再生能源的开发和利用。这些能源中太阳能具有资源丰富、无污染并且无处不在等巨大优势，近年来得到广泛应用。但是考虑到太阳能同时也存在着不稳定性和间断性等缺点，因此本文利用效率高、燃料多、零废气排放的固体氧化物燃料电池和太阳能电池联合起来发电。两者联合建立的光伏/燃料电池混合发电系统，不但可以缓解能源危机，减少环境污染，而且对解决部分偏远地区的电力供应问题也有重要的贡献。
　　当前我国在光伏/燃料电池混合发电技术应用方面尚不成熟，对混合发电系统设计和控制的研究也很少。相比较而言，国外混合发电系统的理论研究和实际应用都较为领先。本文通过对国内外相关文献的深入研究，提出了一种基于光伏/固体氧化物燃料电池的混合发电系统。
　　该系统的主要元件包括光伏阵列、固体氧化物燃料电池、固体氧化物电解槽、压缩机、储氢装置以及功率转换装置等。系统工作的原理是:光照充足时，光伏发电系统独立为负载供电，同时产生的多余电能供给电解槽电解水制氢，并通过压缩机将氢气储存到储氢装置内;当光伏发电系统供电不足时，燃料电池利用储存的氢能补充发电。
　　本文根据光伏/固体氧化物燃料电池混合发电系统的原理以及设计要求，完成的主要工作包括:深入研究了系统主要组成部分光伏阵列、电解槽、压缩机、储氢装置、固体氧化物燃料电池以及功率转换装置的工作原理，分别推导出各个模块的数学模型;在Matlab/Simulink仿真环境中，采用模块化建模的方法，对系统主要组成部分建立模型，并对其进行了性能仿真分析;深入研究了光伏阵列的最大功率跟踪控制策略，在仿真环境中实现了基于扰动观察法、增量电导法和BP神经网络的最大功率跟踪控制算法，并对比分析了这三种算法的优劣性;对光伏/燃料电池混合发电系统进行了能量管理研究，提出了一种基于整个混合发电系统的能量管理策略，最后对所建立系统的实际应用进行了计算分析，验证了系统的可行性。