大容量可逆固体氧化物燃料电池系统中的电力电子变换理论与技术研究

As one of the major technical approaches of “Electrical energy – Hydrogen energy” bidirectional conversion, high temperature reversible solid oxide fuel cell (SOFC) will play a very important role in future large-capacity hydrogen energy storage systems, which will be beneficial for the consumption of abandoned electricity from renewable generation. In this project, the fundamental theory and key technology of power conversion in the large-capacity reversible SOFC system will be investigated. The system configuration, multi-energy flow model, and the topology, modeling method, stability of power electronics interfacing converters will be studied deeply by considering the multi-physics coupling effects in the reversible SOFC system. A multi-energy flow dynamic model of the reversible SOFC system based on Bond Graph method, a coupling scheme of the multi-port isolated DC-DC converter based on high frequency AC bus, a unified bidirectional modeling method of low-voltage side parallel high voltage side series (LPHS) bidirectional DC-AC converters will be proposed in this project. The final target of this project is to reveal the optimization principles of energy flow in the reversible SOFC system, and to propose a whole set of theoretical methods and technical ways of power conversion with high efficiency, high accuracy and high reliability. Based on the above works, the medium voltage integration, multi-energy optimization, bidirectional conversion of the reversible SOFC system will be realized, which will provide significant theoretical basis and powerful technical supports to the construction of future large-capacity hydrogen energy storage systems.

高温可逆固体氧化物燃料电池（SOFC）作为当前最主要的“电能-氢能”双向转换技术之一，将在未来大规模氢储能系统中发挥重要作用，有利于解决可再生能源的弃电消纳问题。本项目主要研究大容量可逆SOFC系统中的电力电子变换基础理论与关键技术，将着重考虑可逆SOFC系统的多物理场耦合特性，深入研究系统的组成架构与多能流模型和电力电子接口变换器的电路拓扑、建模方法及稳定性，拟提出基于键合图方法构建的大容量可逆SOFC系统多能流动态模型，基于高频交流母线的多端口隔离型DC-DC变换电路耦合方式和低压侧并联、高压侧串联（LPHS）双向DC-AC变换器的双向统一建模方法。最终目标是揭示可逆SOFC系统中的多能流优化机理，提出一整套高效率、高精度、高可靠性的电力电子变换理论方法与技术路线，实现可逆SOFC系统的“中压接入，多能优化，双向转换”，为未来大规模氢储能系统的建设提供重要的理论依据和强有力的技术支撑。

高温可逆固体氧化物燃料电池（SOFC）作为当前最主要的“电能-氢能”双向转换技术之一，将在未来大规模氢储能系统中发挥重要作用，有利于风电、光伏等新能源的高比例消纳，支撑“双碳”目标的实现。本项目以接入中压交流电网的大容量可逆SOFC系统为主要研究对象，以全面提升“电能-氢能”双向转换系统的效率、可靠性和稳定性为目标，致力于研究其中的电力电子变换理论方法与关键技术，取得了一系列重要的创新成果：1）提出了MW级可逆SOFC电力电子变换系统的容量配置方法，可实现经济、高效的可逆SOFC电堆大规模汇集；2）针对DC-AC变换子系统提出了H桥级联与CLLC相结合的拓扑结构，针对DC-DC汇集子系统提出了共高频交流母线的多端口双向隔离型DC-DC变换器拓扑结构，优化了功率传输路径，提高了系统整体的效率；3）建立了可逆SOFC系统的多能流模型，提出了一种SOFC与变换器的协同控制策略，使SOFC具有更优越的动态功率响应特性和更为理想的氢燃料使用率；4）通过定义共轭移相角，对DAB变换器进行了双向统一建模，揭示了双向功率传输的实质过程和内在机理；5）针对CLLC谐振变换器建立了相平面轨迹模型，准确描述了高阶非线性的CLLC变换器动静态特性，并为变换器优化控制提供了直观的工具；6）提出了一种新型的DC-AC变换器等效建模方法，在直流电压和交流频率均衡控制下实现了自同步；7）提出了一种DAB变换器的直流变压器闭环控制方法，增强了SOFC电力电子变换系统的稳定性。项目成果揭示了可逆SOFC系统中的多能流优化机理，提出了一整套高效率、高精度、高可靠性的电力电子变换系统设计方法与技术路线，提出了变换系统的建模方法和稳定性提升方法，实现了可逆SOFC系统的“中压接入，多能优化，双向转换”，为未来大规模氢储能系统的建设提供了重要的理论依据和技术支撑。