质子交换膜燃料电池的建模与输出特性研究

质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为一种重要的燃料电池,对于发展新型清洁能源以及改善环境有着重要的意义。针对其数学模型与仿真方法展开了研究。首先简单介绍了PEMFC 的原理与特性,并构建了PEMFC系统的数学模型,模型主要包括燃料电池模型与气体改革者模型。然后以MATLAB的SIMULINK为平台依据上述模型建立了PEMFC的仿真模型,并利用仿真模型分析了PEMFC在负载变化情况下的输出特性以及燃料变化特性,结果表明,PEMFC能够快速地响应负载的变化,输出特性良好。     

风氢耦合并网系统能量管理控制策略

针对风氢耦合发电系统的燃料电池和电解槽出力响应延迟问题,本文构建了一种风力发电机、燃料电池、电解槽和超级电容耦合于直流母线的结构。根据燃料电池、电解槽和超级电容特性,提出了一种能量管理控制策略,使燃料电池和电解槽能够缓慢地补偿/消纳风力机与负荷调度之间的功率差,超级电容能快速地平滑燃料电池和电解槽响应延迟引起的功率不平衡,确保并网功率与负荷调度一致。Matlab/Simulink仿真结果验证了风氢耦合并网系统能量管理控制策略的有效性,该策略提高了系统的风电消纳能力,降低了并网功率波动。     

适用于燃料电池混合供电系统的能量管理策略

为优化燃料电池混合供电系统的动态响应以及能量的转换效率,实现燃料电池的最优经济性,提出一种在单位运行周期内通过储能系统荷电状态以及负载变化来确定目标功率值的能量管理策略。该策略基于规则模糊逻辑理论,根据负载需求功率和超级电容荷电状态的隶属函数以及IF-THEN规则对燃料电池的功率进行分配,使得系统对负载变化进行快速响应,实现其在燃料电池和超级电容之间的合理分配。实验结果表明,所提控制策略能够展示该供电系统对负载功率的调节作用,避免储能介质在整个工作期间出现过充电或过放电现象,达到延长燃料电池使用寿命的目的,验证了能量管理策略的正确性。     

三端口双向变换器在电动汽车中的应用

针对燃料电池动态响应上的不足,本文探讨了一种新的燃料电池＋蓄电池＋超级电容拓扑结构。利用三端口双向隔离型直流—直流变换器来控制燃料电池、蓄电池、超级电容和电动机之间的能量流动。并对这种三端口变换器进行了简单的分析。应用三半桥结构的变换器相比全桥变换器减少了门极控制电路,而且固定占空比的控制方式容易实现。本文所提出的能量管理方式既利于发挥超级电容的高功率比密度的特点同时又发挥了蓄电池能量密度大的特点。最后给出了仿真波形。     

风光氢联合式独立发电系统的建模及仿真

提出了一种独立使用的风光氢联合式独立发电系统，该系统由风力发电、太阳能发电、氢能系统(包括电解水制氢、燃料电池系统、超级电容等)及其他系统单元组成。各单元通过2条直流总线联接，并采用功率流控制。由于风力发电与太阳能发电所输出的功率随风速和日照的变化而变化，因此采用燃料电池系统与超级电容堆与风光发电系统配合使用，以保证系统在任何条件下都具有可靠的供电性能。当风能与太阳能充足时，风机与光伏阵列可满足负荷的需要，同时还可向电解池供电；如果不能满足负荷的需要则由燃料电池提供额外的电能，同时由超级电容在短时期内向负荷提供燃料电池最大功率以外的那部分电能。最后在Matlab环境下建立了系统仿真模型，并以西藏边远村落为例对该系统的动态响应进行了仿真分析，仿真结果表明本文提出的供电系统可以用于以西藏为典型代表的风速和光能变化较大的边远地区。     

基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC电源设计

采用LM5170-Q1多相双向电流控制器芯片,在燃料电池-锂离子电池构成的混合动力汽车电控系统中,完成了基于超级电容与燃料电池的双向DC-DC变换器电源的软硬件设计,根据燃料电池和电机驱动单元的实时工况,利用超级电容快速充放电特性,实现了超级电容与燃料电池之间能量优化分配的控制功能.     

一种适用于燃料电池-超级电容发电系统的控制策略

随着能源危机和环境污染问题加剧,燃料电池因其绿色环保得到了越来越多的应用。受调节进气量机械装置的限制,燃料电池的动态性能较差,响应速度较慢,因此需要选择蓄电池、超级电容等作为辅助电源提供瞬时功率、配合燃料电池发电。基于主电源燃料电池和辅助电源超级电容并联供电的架构,分析了各种可能出现的能量流动工况,提出了超级电容后级变换器控制母线电压、燃料电池后级变换器控制超级电容电压的系统控制策略。最后搭建了燃料电池发电系统仿真平台,对2种稳态工况和3种动态工况开展仿真分析,仿真结果证明:提出的控制策略具有优异的直流母线稳态和动态特性,实现能量在主辅电源以及负载之间的合理分配,保证燃料电池的安全稳定运行。     

孤立直流微电网运行控制策略

以光伏阵列-燃料电池-超级电容所构成的低压单极型直流微电网为研究对象,在考虑分布式电源特性的基础上,研究该直流微电网的运行控制策略.采用开路电压比例系数法跟踪光伏阵列的最大功率;利用斜率限制器控制燃料电池功率的变化速度,防止“燃料饥饿”,进而改善燃料电池性能,提高其使用寿命;使用滑模控制实现超级电容的快充快放,稳定直流母线电压.在MATLAB/Simulink中搭建系统模型,仿真结果表明,所提控制策略可以提高能源利用率,改善系统的电能质量.     

城轨交通用燃料电池/超级电容混合动力系统瞬时等效最小氢耗硬件在环方法研究

为了提高轨道交通用燃料电池混合动力系统的燃料经济性并有效保持储能单元的荷电状态(state of charge,SOC),该文提出一种适用于燃料电池/超级电容混合动力系统的瞬时等效最小氢耗硬件在环方法。该方法采用超级电容的一阶RC等效电路模型,建立超级电容的等效氢耗模型,通过推导得到超级电容最优输出的功率,根据当前SOC下超级电容最优输出功率并结合需求功率控制燃料电池系统的输出。通过在搭建的RT-LAB半实物硬件在环平台下,与功率跟随方法进行对比分析。结果表明,提出的方法能够有效减少氢气消耗量和保持超级电容SOC,将在轨道交通混合动力车辆大功率应用中具有良好的应用前景。     

基于电—氢混合储能的风氢耦合系统建模与控制

为改善高比例联网风电的反调峰、不可控等冲击电网的不利特性,提出了一种基于电—氢混合储能的风氢耦合系统控制策略。建立直驱永磁风电机组、电解槽、燃料电池及超级电容器数学模型,研究耦合在直流母线的电解槽、燃料电池、超级电容器与直驱永磁风电机组之间的量化关系,设计风氢耦合系统的上层控制策略,并进行分析与研究。PSCAD/EMTDC中的仿真结果表明:通过超级电容器、电解槽与燃料电池的协调配合,超级电容器完全可以弥补电解槽与燃料电池响应延迟功率,同时实现风氢耦合系统出力可控、功率外特性友好,有效验证了本文所建立各设备数学模型的准确性及设计控制策略的有效性。     

自呼吸式直接甲醇燃料电池混合系统的研究

目呼吸式直接甲醇燃料电池(DMFC)是一种没有辅助设备的便携式电源.由于自呼吸式DMFC输出性能较差,且负载在突然变化时不能及时响应并满足负载瞬时功率需求,因此通常需要添加辅助电源在负载变化时进行充电或放电,即采用混合供电模式.主要是对聚合物锂电池和超级电容组成的两种不同混合电源系统进行研究,通过实验表明;超级电容的混合电源系统可以更快的响应负载的变化.     

基于超级电容的双向DC-DC变换器控制研究

针对轨道交通1 500 V系统再生制动能量利用,研究了基于超级电容储能的输入串联多相并联双向DCDC变换器的控制及其系统能量管理策略。采用输入串联、多支路并联的拓扑结构降低了功率器件电压应力和电流应力及减小了无源滤波器件的体积,同时降低了1 500 V系统对储能元件超级电容的耐压及模组均压控制的要求,使得系统的可靠性更高。针对该拓扑结构的特点,结合工程实际应用,考虑超级电容容值参数差异性及大内阻的特点,以超级电容的能量利用最大化为优化目标,对其充放电过程中超级电容电荷状态误判及系统输入输出侧均压控制策略进行了优化设计。最后通过仿真和实验验证了所提控制策略的有效性。     

超级电容器在风电场有功功率调节中的仿真研究

比较和分析了电池储能系统、超导储能系统、飞轮储能系统和超级电容器储能系统、抽水蓄能以及压缩空气储能系统等多种储能设备的基本工作原理,选择了可以快速大功率充放电的超级电容器作为风电场的储能设备以抑制风电场输出有功功率的波动,给出了解决方案的数学模型、工作原理.在电力系统仿真软件Matlab/Simulink中对其进行了仿真分析,结果表明利用超级电容器储能系统能够较好地解决风电场输出有功功率的波动问题.     

燃料电池供电系统用新型升压变换器的研究

提出了一种新颖的适用于燃料电池供电系统的升压变换器——开关电容交错并联高增益Boost变换器,并对其工作原理进行了详细分析,给出了控制框图。与传统两相交错并联Boost变换器相比,新拓扑结构不仅输入电流纹波减小,而且在相同的占空比下实现了更高的电压增益,开关器件的电压应力得以减小。因此,新拓扑结构非常适合应用于低压输入、高压输出的场合,如燃料电池供电等系统。最后,进行了动态仿真和分析,验证了理论分析的正确性。     

基于分层控制的光—储—燃直流供电系统能量管理方法

为克服光伏发电的随机性和间歇性,实现高可靠性、高品质供电,提出一种基于光伏/蓄电池/超级电容/燃料电池的直流供电系统能量管理分层控制方法。针对混合直流供电系统的多参数、非线性特性,上层控制设计微分平滑方法直接补偿非线性分量,实现系统非线性动态可逆,确保在光伏出力大幅变化、负载突变或系统参数发生摄动情形下,使系统直流母线电压依然能够稳定运行,同时为下层控制提供总载荷电流参考轨迹;针对混合直流供电系统中多电源的不同特性,下层控制采用模型预测方法,以延长系统循环使用寿命为目标,设计加权因子,根据光伏出力和负载功率需求状况,动态调节储能单元充放电速率,使系统快速跟踪总载荷电流期望轨迹,实现各电源间功率的合理分配。基于MATLAB/Simulink的仿真结果验证了所提能量管理分层控制方法的可行性和有效性,该方法具有结构简单、动态响应快、鲁棒性高、稳定性好的特点。     

采用自适应VMD与能量管理控制的混合储能平抑风电波动策略

采用燃料电池/电解槽/储氢罐/超级电容构建混合储能系统来平抑风电功率的波动性,实现风电平滑并网.针对风电功率的波动特性,结合风电并网波动率标准,提出自适应VMD算法,实现风电功率的自适应分解,得到风电并网功率和混合储能系统功率指令,根据燃料电池和电解槽出力需求,结合超级电容的荷电状态和储氢罐的储氢状态,提出一种能量管理控制策略,实现储能系统内部功率分配.算例结果表明,所提算法能自适应实现风电功率的最优分解,所提控制策略能完成储能系统内部功率的合理分配并有效地平滑风电出力波动,同时保证超级电容的荷电状态、储氢罐的储氢状态工作在合理区间.     

基于超级电容储能的SiC器件变流器性能分析

超级电容储能系统的促进功率响应能力优势是改善分布式发电电源的电能输出效率的有效方式,为此利用SiC器件设计SiC MOSFET典型等效开关模型,并将其应用到超级电容储能系统中,进一步提升系统单位能量的传输能力。基于超级电容器工作原理,建立超级电容储能系统数学模型,有效分析基于超级电容储能的SiC器件变流器性能。经仿真验证,超级电容器可准确响应功率由负到正的变化;随着传输功率的逐渐增大,基于超级电容储能的SiC器件变流器传输效率也呈现上升趋势,在功率接近储能系统变流器额定功率时,变流器效率逐步稳定,运行效率在98%左右;响应速度较快,输出电压波动以及输出功率的波动幅度较小,具备较强的输出抗干扰性;达到电压稳定输出的时间较短,且超调量较低。     

基于超级电容器控制策略的含风电微电网电压波动的抑制

在分析含风电及储能的微电网电压—功率特性基础上,提出一种基于超级电容器控制策略的电压波动抑制方法,可对风电功率的随机波动进行快速补偿,保证风电与超级电容器储能共同向外输出的功率稳定,实现系统母线电压的稳定控制。对该方法进行了PSCAD仿真,仿真结果表明:风速变化时,该方法可有效抑制风电功率变化引起的电压波动;大型阻感性负载投入、外部故障时,该方法亦能减小电压波动和电压恢复时间,从而验证了所提方法的有效性与可行性。     

质子交换膜燃料电池模拟器的建模与控制

燃料电池是极具吸引力的新能源之一,但它在化学反应中存在极化现象,输出特性不稳定.搭建了一种质子交换膜燃料电池的仿真器,用于在无实际燃料电池的情况下取代燃料电池,进行相关的优化控制实验.实验表明,该仿真器的输出特性与实际燃料电池的输出特性非常逼近.用其取代燃料电池进行优化控制实验是可行的,为进行燃料电池供电系统的能量管理、控制和优化提供了有利帮助.     

一种多端口结构的高频谐振变换器

提出一种具有高频逆变能力的多端口变换器。通过集成两个交错并联boost电感,实现了两个交错boost电路,有效地提高了变换器的增益范围,而且可以极大地减小纹波电流。同时该变换器采用了LCLC谐振电路,通过引入一个超级电容,将前面所述两部分结合在一起,实现了多端口输入输出。该变换器采用恒频脉冲宽度调制方式,因此调制方式简单且易于控制,其次恒频控制也可以简化磁性元件和谐振电路的设计。首先介绍了变换器的工作原理,之后通过时域分析,对变换器的增益特性、电流纹波以及软开关的实现条件等进行了详细的分析。最后通过实验对变换器的特性加以验证。