范宇 孔憲佐

摘 要：本課題圍繞光伏電池和燃料電池的協(xié)調(diào)控制展開研究，首先建立光伏電池并網(wǎng)的整體模型。其次在分析電池單體及堆棧的發(fā)電原理，用基于電極的微觀動態(tài)電化學電勢建立燃料電池的數(shù)學模型，最后，將燃料電池及光伏電池集成子模塊，在MATLAB/SIMULINK仿真軟件中進行仿真，仿真結果顯示光伏電池功率與燃料電池功率的和總是10kw。在此基礎上，將光伏電池與燃料電池等效為兩個直流源，通過一系列電力電子器件，并入電網(wǎng)，仿真結果證明，光伏電池和燃料電池混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

關鍵詞：光伏電池；燃料電池；協(xié)調(diào)控制；并網(wǎng)

1 緒論

本文建立一個關于分布式電源（Distributed Generator，DG）的完整可控的系統(tǒng)并進行仿真是分布式發(fā)電技術研究的核心。研究分布式發(fā)電的效益和可行性，以及處理不平衡負載、系統(tǒng)諧波等問題，都可以歸納為分布式發(fā)電的暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)響應問題。

以可再生能源光伏電池（Photovoltaic Cell，PV）和固體氧化物燃料電池（Solid Oxide Fuel Cell，SOFC）為代表，模擬當其中一個能源供電量發(fā)生變化時，另一個電源的功率變化。在功率指標控制約束條件下，協(xié)調(diào)兩種電源各自的發(fā)電量，保證并網(wǎng)條件下，穩(wěn)定可靠的電能供給。

2 基于MPPT的PV和SOFC協(xié)調(diào)控制策略

協(xié)調(diào)控制就是系統(tǒng)能夠在不同的天氣條件下合理調(diào)節(jié)能量流動，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化操作。

光伏電池和燃料電池都屬于分布式電源，分布式電源的可預測性和可控性都沒有傳統(tǒng)電源好，所以需要確定光伏電源和燃料電源的相關性，作為控制速度與控制強度衡量的標準。

相對于燃料電池來說，光伏電池的可控性稍差一些，因為光照強度是大自然決定的，是不隨人的意志改變的，無法控制太陽能電池板接收所需要的能量，所以，本課題采用控制燃料電池的數(shù)目來控制最后發(fā)出的總功率。

在白天光照強度大的時候，光伏電能可基本滿足需求，就不需要啟動燃料電池；在晚上以及陰天無光照的情況下，光伏電池無法供電，就需要啟動燃料電池供電，以滿足需求。冬季，白天光照強度不大，光伏電池同樣無法滿足需求，也需要啟動燃料電池來補充不足的部分；燃料電池發(fā)電時產(chǎn)生的廢熱可在冬天為住戶供暖，這樣可以進一步提高利用率，節(jié)省住戶的供暖費用。

基于以上分析，采用光伏電池的電能全部供電，燃料電池輔助供電的協(xié)調(diào)控制方法，即用燃料電池補充不足電能。相對來說，燃料電池的發(fā)電量比較可控。

3 PV與SOFC協(xié)調(diào)控制仿真分析

本課題PV與SOFC協(xié)調(diào)控制模型在Matlab/Simulink軟件的實現(xiàn)。Signal Builder模塊提供太陽光照強度的變化曲線，PV模塊中實現(xiàn)MPPT功能，輸出是功率。設定額定容量10kW，得到Ps給定，再經(jīng)過SOFC模塊得到實際輸出的功率Ps。本文PV輸出功率與光照強度的變化是一致的。圖1的曲線圖是兩者輸出功率的總和。從圖中可以看出，這個仿真結果實現(xiàn)了額定容量10kW的要求。

PV與SOFC協(xié)調(diào)控制并網(wǎng)分析。基于上述分析，PV與SOFC的協(xié)調(diào)控制輸出功率滿足了要求后，在 PV與SOFC在輸出功率滿足上節(jié)的變化曲線的前提下，輸出電壓與電流的變化。由于PV與SOFC發(fā)出的均是直流電，基于此，可以將PV與SOFC等效成直流源，設定輸出為400V，通過直流母線，經(jīng)逆變器等電力電子器件并入電網(wǎng)。圖12是PV與SOFC等效成直流源后，在Matlab/Simulink仿真軟件中進行并入電網(wǎng)仿真分析，結果如圖2所示。

從圖2中可以得出，PV和SOFC混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

4 結論

本課題采用光伏電池的電能全部供電，燃料電池輔助供電的協(xié)調(diào)控制方法，即用燃料電池補充不足電能。相對來說，燃料電池的發(fā)電量比較可控。對PV與SOFC的協(xié)調(diào)控制在理論分析的基礎上，得出系統(tǒng)圖，通過系統(tǒng)圖，在Matlab/Simulink軟件中搭建出仿真模型，并且對其進行了分析。最后將PV與SOFC等效成兩個直流源，并入三相電網(wǎng)分析，得出了結論：PV和SOFC混合并網(wǎng)系統(tǒng)可以向電網(wǎng)提供穩(wěn)定的功率輸出。

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