直驅(qū)永磁風(fēng)電—燃料電池混合系統(tǒng)建模及功率平滑控制

【摘要】：全球正面臨著能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變化的壓力,應(yīng)用新能源發(fā)電隨之成為電力工業(yè)發(fā)展的時(shí)代課題。本文選擇風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中最具有發(fā)展前景的直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)DDPGWPS(Direct Drive Permanent Magnet Wind Power System)和燃料電池中最具有商業(yè)前景的固體氧化物燃料電池SOFC (Solid Oxide Fuel Cell)作為研究對(duì)象。構(gòu)建了DDPGWPS與SOFC混合發(fā)電系統(tǒng),提出了全風(fēng)況下按給定功率輸出的控制策略,研究了利用SOFC平滑DDPGWPS在全風(fēng)況下按給定功率輸出的功率波動(dòng)并給出了仿真波形,最后,構(gòu)建了孤島中風(fēng)-氫混合發(fā)電系統(tǒng)并進(jìn)行了功率控制的比較研究。整個(gè)研究工作為未來(lái)分布式發(fā)電系統(tǒng)中新能源的功率控制提供了理論參考。 首先,基于二質(zhì)量塊-軸數(shù)學(xué)模型構(gòu)建了一個(gè)包含風(fēng)速模型、功率轉(zhuǎn)換模型、傳動(dòng)鏈模型等三個(gè)部分的10MW變速直驅(qū)型風(fēng)渦輪機(jī)組的標(biāo)么值MATLAB動(dòng)態(tài)模型。作為風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的原動(dòng)力模型,該模型有助于進(jìn)一步仿真研究變速DDPGWPS的功率特性和并網(wǎng)發(fā)電控制技術(shù)。 建立了直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)DDPMWG (Direct Drive Permanent Magnet Wind Generator)的電氣數(shù)學(xué)模型和空間狀態(tài)d-q控制模型,仿真確定了一個(gè)10兆瓦DDPMWG的電氣參數(shù)。在恒定風(fēng)速下,研究了用BOOST-CHOPPER電路控制永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和輸出功率的控制原理及控制參數(shù)的整定。構(gòu)建了使用PWM橋式整流電路控制DDPMWG轉(zhuǎn)速和功率的解耦控制的數(shù)學(xué)模型及控制電路,提出了一種基于三環(huán)P1控制環(huán)對(duì)有功功率進(jìn)行控制的控制電路,外環(huán)為功率控制環(huán),中環(huán)為轉(zhuǎn)速控制環(huán),內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)。與傳統(tǒng)的兩環(huán)PI控制電路相比較,這種控制方法直接利用了DDPMWG的功率與轉(zhuǎn)速之間良好的線性關(guān)系進(jìn)行控制,因而具有更好的控制性能且更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的控制策略。仿真分析表明,具有三環(huán)PI控制環(huán)的PWM整流控制電路比BOOST-CHOPPER控制電路具有更快的控制響應(yīng)速度、更高的DDPMWG電磁利用率以及更好的定子電流正弦波特性。 構(gòu)建了PWM逆變器解耦控制的數(shù)學(xué)模型及仿真控制電路,仿真分析了并網(wǎng)發(fā)電的兩種功率控制方式?；谇懊娴难芯考皡?shù)的設(shè)定,構(gòu)建了10兆瓦DDPGWPS,在此基礎(chǔ)上提出了一種全風(fēng)況下、基于三環(huán)PI控制、按任意給定功率控制的智能穩(wěn)健控制策略。利用這種策略,能實(shí)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)功率達(dá)到了給定功率的時(shí)候,按給定功率控制輸出,而當(dāng)風(fēng)功率達(dá)不到給定功率的時(shí)候,限定轉(zhuǎn)速在最大風(fēng)功率所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速上,從而實(shí)現(xiàn)最大風(fēng)功率的追蹤,同時(shí),還能防止出現(xiàn)功率失控的狀態(tài)。提出了一種快速、簡(jiǎn)單,高效的最大風(fēng)功率追蹤方法,用這種方法改善了按給定功率控制策略中的最大功率追蹤方法,在不降低其追蹤速度的前提下,提高了其追蹤的準(zhǔn)確度。進(jìn)一步提出了一種高于額定風(fēng)速時(shí),利用DDPMWG的大慣性平滑給定輸出功率波動(dòng)的新穎改進(jìn)控制策略。仿真驗(yàn)證了上述控制策略的正確性。 在考慮濃差極化電壓和活性極化電壓的基礎(chǔ)上,建立了SOFC的集總數(shù)學(xué)模型,給出了其穩(wěn)態(tài)電壓電流特性的MATLAB仿真?；跍乇容^的方法建立了SOFC并網(wǎng)輸出功率的控制電路,仿真了其動(dòng)態(tài)負(fù)荷跟蹤特性。由于風(fēng)速的隨機(jī)性,間歇性造成DDPGWPS輸出功率在風(fēng)功率不足時(shí),出現(xiàn)向下凹的波動(dòng),提出了一種實(shí)時(shí)功率互補(bǔ)的控制策略,利用SOFC多模塊組合形成的充足的電功率和快速的負(fù)荷跟隨特性平滑DDPGWPS輸出功率波動(dòng)并給出了仿真波形。 提出了一種用于小孤島的風(fēng)-氫混合發(fā)電系統(tǒng),這種系統(tǒng)通過(guò)使用電解水制氫儲(chǔ)能裝置、燃料電池、風(fēng)力發(fā)電機(jī)組和柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組,采用交流連接的方式,能給小孤島中的負(fù)荷提供較高質(zhì)量的綠色電能,同時(shí),電解水制氫儲(chǔ)能裝置所產(chǎn)生的氫氣,被用來(lái)做為燃料電池的燃料,使風(fēng)能能得到充分的利用。通過(guò)仿真,比較分析了該系統(tǒng)的功率平滑控制特性。 【關(guān)鍵詞】：風(fēng)力發(fā)電機(jī)組 BOOST-CHOPPER電路 PWM整流 固體氧化物燃料電池 集總建模 功率平滑 風(fēng)-氫混合功率系統(tǒng)
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類(lèi)號(hào)】：TM61
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 插圖索引13-17
• 插表索引17-18
• 第1章 緒論18-32
• 1.1 論文的研究背景18-21
• 1.1.1 產(chǎn)業(yè)背景：世界風(fēng)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況18-19
• 1.1.2 技術(shù)背景：世界風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)19-21
• 1.2 風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的研究現(xiàn)狀21-24
• 1.2.1 恒速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)21
• 1.2.2 變速恒頻風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)21-24
• 1.3 直驅(qū)永磁同步風(fēng)電系統(tǒng)及并網(wǎng)發(fā)電技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀24-27
• 1.3.1 直驅(qū)永磁發(fā)電系統(tǒng)變流器常見(jiàn)柘樸結(jié)構(gòu)24-26
• 1.3.2 直驅(qū)永磁風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)并網(wǎng)控制技術(shù)及研究現(xiàn)狀26-27
• 1.4 固體氧化物燃料電池的建模及并網(wǎng)控制技術(shù)的研究現(xiàn)狀27-29
• 1.4.1 固體氧化物燃料電池建模的發(fā)展?fàn)顩r27-28
• 1.4.2 固體氧化物燃料電池并網(wǎng)控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀28-29
• 1.5 論文的選題意義29-30
• 1.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容和成果30-32
• 第2章 風(fēng)渦輪機(jī)組的建模及MATLAB仿真32-45
• 2.1 風(fēng)速模型32-33
• 2.2 風(fēng)渦輪機(jī)組功率轉(zhuǎn)換模型及仿真分析33-38
• 2.2.1 功率轉(zhuǎn)換模型的建立33-36
• 2.2.2 風(fēng)渦輪功率轉(zhuǎn)換特性的仿真分析36-38
• 2.2.3 風(fēng)渦輪機(jī)組發(fā)電的四個(gè)運(yùn)行區(qū)域38
• 2.3 傳動(dòng)鏈模型38-42
• 2.4 變速直驅(qū)型風(fēng)渦輪機(jī)組模型的構(gòu)成及仿真分析42-44
• 2.4.1 結(jié)構(gòu)組成及參數(shù)設(shè)置42-43
• 2.4.2 電磁阻力矩控制風(fēng)渦輪機(jī)組轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)特性的仿真分析43-44
• 2.4.3 槳距角控制風(fēng)渦輪機(jī)組轉(zhuǎn)速、功率的仿真分析44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 第3章 DDPMWG功率控制特性的研究45-76
• 3.1 直驅(qū)永磁同步發(fā)電機(jī)的電氣建模及參數(shù)確定46-54
• 3.1.1 三相定子固定參考系中的PMSG數(shù)學(xué)模型46-48
• 3.1.2 d-q-0軸旋轉(zhuǎn)參考系中的數(shù)學(xué)模型48-50
• 3.1.3 狀態(tài)空間模型50
• 3.1.4 10兆瓦DDPMWG電氣參數(shù)的確定50-52
• 3.1.5 10兆瓦DDPMWG的MATLAB仿真分析52-54
• 3.2 不可控橋式整流及BOOST-CHOPPER電路54-63
• 3.2.1 不可控橋式整流電路的工作原理54-55
• 3.2.2 BOOST-CHOPPER電路的工作原理55-57
• 3.2.3 電路參數(shù)確定及控制過(guò)程分析57-58
• 3.2.4 控制DDPMWG轉(zhuǎn)速的仿真分析58-61
• 3.2.5 直接控制DDPMWG功率的仿真分析61-63
• 3.3 PWM橋式可控整流電路控制DDPMWG功率特性的研究63-74
• 3.3.1 時(shí)域離散開(kāi)關(guān)函數(shù)模型63-64
• 3.3.2 d-q模型的建立及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)64-66
• 3.3.3 MATLAB控制模塊的建立及參數(shù)的確定66-69
• 3.3.4 轉(zhuǎn)速控制的仿真分析69-71
• 3.3.5 基于三環(huán)PI控制的功率控制電路及仿真分析71-74
• 3.4 本章小結(jié)74-76
• 第4章 DDPMWPS并網(wǎng)功率控制技術(shù)的研究76-99
• 4.1 PWM逆變器并網(wǎng)控制電路的研究76-85
• 4.1.1 PWM逆變器并網(wǎng)控制電路的數(shù)學(xué)模型76-78
• 4.1.2 MATLAB控制模型的建立78-81
• 4.1.3 仿真參數(shù)的設(shè)置81-82
• 4.1.4 PWM逆變器的兩種功率控制方式的仿真分析82-85
• 4.2 DDPMWPS并網(wǎng)發(fā)電按給定功率控制的研究85-93
• 4.2.1 全風(fēng)況下按給定功率控制策略的研究85-89
• 4.2.2 恒風(fēng)速下DDPMWPS按給定功率控制的仿真分析89-91
• 4.2.3 全風(fēng)況下DDPMWPS按給定功率控制的仿真分析91-93
• 4.3 DDPMWPS最大功率追蹤控制策略的研究93-95
• 4.3.1 最大功率追蹤控制策略的綜述93-94
• 4.3.2 一種快速、簡(jiǎn)單、高效的最大功率追蹤控制策略94-95
• 4.3.3 改進(jìn)了最大風(fēng)功率追蹤的按給定功率控制輸出控制策略95
• 4.4 一種新穎的平滑強(qiáng)風(fēng)下輸出功率的控制策略95-97
• 4.4.1 平滑強(qiáng)風(fēng)下輸出功率的控制策略的工作原理95-96
• 4.4.2 兩種控制策略的切換96-97
• 4.4.3 仿真結(jié)果97
• 4.5 本章小結(jié)97-99
• 第5章 DDPMWPS與SOFC混合建模及功率平滑控制99-117
• 5.1 固體氧化物燃料電池的工作原理99-101
• 5.1.1 發(fā)電的工作原理及化學(xué)方程式99-100
• 5.1.2 單個(gè)電池中電壓的形成100-101
• 5.2 SOFC發(fā)電的動(dòng)態(tài)過(guò)程分析101-104
• 5.2.1 氣體摩爾流量的計(jì)算101-103
• 5.2.2 集總電池中氣體分壓的計(jì)算103
• 5.2.3 化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程103-104
• 5.2.4 極化電壓的簡(jiǎn)化104
• 5.3 SOFC電池集總模型的建立及電壓電流特性的分析104-108
• 5.3.1 SOFC電池集總模型的建立104-106
• 5.3.2 穩(wěn)態(tài)電壓電流特性的分析106-108
• 5.4 SOFC并網(wǎng)功率控制技術(shù)的研究108-111
• 5.4.1 并網(wǎng)功率控制電路的設(shè)計(jì)108-109
• 5.4.2 SOFC并網(wǎng)發(fā)電負(fù)荷跟隨特性的仿真分析109-111
• 5.5 DDPMWPS與SOFC混合系統(tǒng)的構(gòu)建及功率平滑控制111-116
• 5.5.1 全風(fēng)況強(qiáng)風(fēng)波動(dòng)下按額定功率輸出112-113
• 5.5.2 全風(fēng)況強(qiáng)風(fēng)波動(dòng)下按任意給定功率輸出113-114
• 5.5.3 風(fēng)速在額定風(fēng)速以下波動(dòng)時(shí)按額定功率輸出114-115
• 5.5.4 風(fēng)速在額定風(fēng)速以下波動(dòng)時(shí)按任意給定功率輸出115-116
• 5.6 本章小結(jié)116-117
• 第6章 孤島中風(fēng)-氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率控制的研究117-132
• 6.1 孤島中風(fēng)-氫混合發(fā)電系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)118-119
• 6.2 風(fēng)-氫混合發(fā)電系統(tǒng)功率控制仿真模型119-122
• 6.2.1 系統(tǒng)功率控制動(dòng)態(tài)簡(jiǎn)化仿真模型119-121
• 6.2.2 風(fēng)速模型和風(fēng)力發(fā)電機(jī)組模型121-122
• 6.3 混合發(fā)電系統(tǒng)的功率控制原理122-123
• 6.3.1 功率偏差122
• 6.3.2 頻率偏差122
• 6.3.3 功率控制電路及方法122-123
• 6.4 不同結(jié)構(gòu)的混合發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果及比較分析123-131
• 6.4.1 四種系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)定123-125
• 6.4.2 不同結(jié)構(gòu)的混合發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果分析125-131
• 6.5 本章小結(jié)131-132
• 結(jié)論及展望132-134
• 參考文獻(xiàn)134-146
• 致謝146-147
• 附錄A 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表學(xué)術(shù)論文147-148
• 附錄B 攻讀博士學(xué)位期間參加的項(xiàng)目148

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平板狀陽(yáng)極支撐固體氧化物燃料電池的實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬    湯根土

安多100kWp獨(dú)立運(yùn)行光伏發(fā)電系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定性分析    楊毅男

江蘇沿海風(fēng)電開(kāi)發(fā)的可行性分析    劉海東

直接驅(qū)動(dòng)式永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)研究    謝若初

變速恒頻雙饋風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的研究    王昌存

無(wú)刷雙饋?zhàn)兯俸泐l風(fēng)力發(fā)電控制系統(tǒng)研究    劉偉

直驅(qū)永磁同步風(fēng)電機(jī)組建模及其控制系統(tǒng)仿真研究    張梅

燃料電池——21世紀(jì)的能源之星    王靜,薛明霞,孟婕

中國(guó)的燃料電池技術(shù)    黃振中

燃料電池及其發(fā)展概況    吳忻

燃料電池的技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用分析    鄧亞?wèn)|,王仲范

燃料電池的節(jié)能與環(huán)保特性分析    魯?shù)潞?/span>

固體高分子型燃料電池的開(kāi)發(fā)    趙惠英

燃料電池技術(shù)及應(yīng)用    唐倫成,楊亭閣,王佳

燃料電池——新型的清潔煤發(fā)電技術(shù)    佐雙吉

燃料電池發(fā)展及其應(yīng)用    張勝濤,溫彥

固體氧狀物燃料電池    

固體氧化物燃料電池制備方法評(píng)述    韓敏芳;彭蘇萍;王立剛;

低溫固體氧化物燃料電池    夏長(zhǎng)榮;

大型乙烯裂解爐與固體氧化物燃料電池的聯(lián)合    何琨;吳德榮;馬紫峰;

燃料電池用石墨材料    朱文菊;

一種直接硼氫化鉀燃料電池    董華;馮瑞香;艾新平;楊漢西;

固體氧化物燃料電池研發(fā)中的“逆主流”思考    孟廣耀;

燃料電池金屬雙極板現(xiàn)況與未來(lái)發(fā)展    李碩仁;邱弘興;

高能金屬鋁燃料電池的研究    唐有根;盧凌彬;黃伯云;

多元SOFC陽(yáng)極復(fù)合材料研究    呂喆;賀天民;黃喜強(qiáng);裴力;趙星海;紀(jì)媛;蘇文輝;

YSZ電解質(zhì)膜管的制備及其在固體氧化物燃料電池中的應(yīng)用    賀天民;呂哲;黃應(yīng)龍;管鵬飛;陸國(guó)會(huì);蘇文輝;

21世紀(jì)的能源燃料電池    鄭惠榮

燃料電池-未來(lái)的燃料    

燃料電池研發(fā)應(yīng)立足四個(gè)重點(diǎn)    劉四旦

王誠(chéng)：為燃料電池做“保濕”    本報(bào)記者　房琳琳

燃料電池：21世紀(jì)的能源主流    本報(bào)記者 宋劍峰

日本燃料電池市場(chǎng)將急劇擴(kuò)大    陳銳

燃料電池與汽車(chē)行業(yè)的革命    

NEC工程師 為你解讀燃料電池    

奧運(yùn)公交將難見(jiàn)燃料電池身影    本報(bào)記者 吳凡

上汽燃料電池樣車(chē)出爐    唐士軍

直接硼氫化物燃料電池銅陽(yáng)極電化學(xué)性能研究    段東紅

中溫固體氧化物燃料電池的研制與電極過(guò)程的研究    閻景旺

直接硼氫化鈉燃料電池陽(yáng)極催化劑及膜電極研究    王廣進(jìn)

直接硼氫化鈉燃料電池陽(yáng)極催化劑及膜電極研究    王廣進(jìn)

直驅(qū)永磁風(fēng)電—燃料電池混合系統(tǒng)建模及功率平滑控制    譚勛瓊

固體氧化物燃料電池復(fù)合摻雜陰極材料的研究    馬文會(huì)

多元金屬納米結(jié)構(gòu)燃料電池催化劑的設(shè)計(jì)與制備    崔春華

基于支持向量回歸機(jī)的燃料電池研究    唐江凌

低溫燃料電池用納米催化劑新型制備技術(shù)的研究    田植群

WC增強(qiáng)燃料電池貴金屬催化劑催化性能的研究    聶明

熔融碳酸鹽燃料電池分布式發(fā)電的魯棒H_∞控制    王志豐

固體氧化物燃料電池的傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬    黃鏡歡

小型氫空燃料電池結(jié)構(gòu)及操作條件優(yōu)化的研究    孟藝飛

電催化氧化溶液硫化物的基礎(chǔ)研究    勞國(guó)洪

基于光伏發(fā)電微源的微網(wǎng)動(dòng)態(tài)特性研究    趙巧云

燃料電池內(nèi)阻測(cè)試用交流變頻信號(hào)源研究與設(shè)計(jì)    張巍

燃料電池用化學(xué)交聯(lián)聚乙烯醇基堿性復(fù)合膜的制備與性能研究    傅婧

燃料電池堿性陰離子交換膜的制備與表征    李明

添加劑對(duì)硼氫化鈉電化學(xué)行為的影響    岳增芳

熔融碳酸鹽燃料電池單體傳熱傳質(zhì)數(shù)值模擬    劉永江