燃料电池分布式发电关键问题的研究

燃料电池是一种高效率、环境友好、有广泛应用前景却尚未成熟的分布式电源。目前，诸多技术难题和高昂的价格严重阻碍了燃料电池在电力系统中的应用。本项目将立足于前期的研究成果，以代数方程组和微分方程组的形式，建立可以准确计算燃料电池运行工作点的新模型。利用该模型并考虑各种运行限制，提出指导燃料电池安全运行和控制的三维合理运行区域的概念。通过时/频分析，揭示燃料电池的静态和动态特性，建立安全而快速的功率调节新理论。为拓展燃料电池的应用范围，提出并建立一种以燃料电池为核心的概念型电能质量控制中心。该中心在安全、合理使用燃料电池输出有功功率的前提下，将并联补偿和串联补偿技术有机地结合在一起，提出可以改善电网电能质量、加强电网联系的新方法。仿真实验平台将校验本项目提出的各项理论成果，促进燃料电池分布式发电关键问题的解决。

本项目以高温固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell, SOFC)分布式电源(distributed generator, DG)在电力系统中的应用为研究对象，研究内容主要分三个方面。首先根据热力学第一和第二定律分析了SOFC的静态运行特性，推导出电池堆温度、氢气利用率和过量氧气比这三个运行变量间的解析关系，结合SOFC的运行限制提出了三维合理运行空间(Feasible Operating Space, FOS)的概念，得出了最大效率运行状态，通过非线性优化提出了燃料电池电厂通过功率调节单元实现最优效率并网发电的静态控制策略。第二，研究推导出了考虑温度变化的非线性动态模型，根据各极点的位置，提出了多输入多输出(multi-input-multi-output, MIMO)系统最优效率并网负荷跟踪的递解控制策略。燃料电池电厂控制系统可以分解为一个快速的2x2阶有功-氢气利用率控制系统（简称P-u控制系统）和一个慢速的1x1阶温度控制系统（简称T控制系统）。通过相对增益矩阵发现，有功控制和燃料输入强相关而氢气利用率和移相角强相关。P-u控制系统可以进一步分解为2个单输入单输出（single-input-single-output, SISO）系统。利用动态相对影响系数(dynamic Relative Interaction, dRI)可以描述两个SISO系统间的相对影响并用于简单内模控制器(Simplified Internal Mode Control, SIMC)的设计。通过调节输入氧气用于温度控制但是必须采用前馈控制策略减小其他控制变量的扰动。最后，项目研究了以SOFC电厂为核心的电能质量控制中心(Power Quality Control Center, PQCC)抑制电压暂降的具体措施。SOFC-PQCC系统可以结合串联补偿装置(Series Compensator, SC)灵活的控制有功、使敏感负荷可以耐受一定幅度的电压暂降(sag)。最大允许电压暂降的幅度取决于SOFC的输出有功。研究推导了sag幅度、SOFC输出功率、被保护负荷容量和SC容量间的解析关系。上述研究结果都通过仿真得到了验证并将对该分布式电源的实际的工业应用起到显著的作用。