【自动化】千瓦级燃料电池发电系统建模与设计 开题报告

附件2本科生毕业设计（论文）开题报告学生姓名付豪导师姓名、职称黄亮副教授所属学院自动化专业班级电气1001班设计（论文）题目年月日1目的及意义（含国内外的研究现状分析）11主要研究内容和意义当前，传统化石能源日益枯竭，全球性的能源危机、环境污染以及生态问题促使人们越来越重视风能、太阳能等可再生能源以及燃料电池等绿色能源的的开发与利用。以电化学反应方式将化学能直接转化为电能的燃料电池，以其高效、清洁等优势，在未来有望成为一种重要的能源形式并得到广泛的应用。在质子交换膜燃料电池中，由于气压、湿度等都是由机械装置来控制的，受这些装置的反应速度的限制造成燃料电池动态响应比较慢。在负载突然变化的时候，燃料电池的输出电压、输出电流要经过一段比较长的时间（秒级）才能建立起来。同时，在新的稳态建立以前，电池内部可能因为局部温度、气压、湿度等超标而影响燃料电池寿命。因此，为了保证燃料电池输出持续而稳定的直流电，必须配以电能变换器来改善系统的输出性能，并配以蓄电池保证在负载突变时为其提供稳定的直流。12国内外研究现状综述121国外研究现状发达国家都将大型燃料电池的开发作为重点研究项目，企业界也纷纷斥以巨资，从事燃料电池技术的研究与开发，已取得了许多重要成果，使得燃料电池即将取代传统发电机及内燃机而广泛应用于发电及汽车上。值得注意的是这种重要的新型发电方式可以大大降低空气污染及解决电力供应、电网调峰问题，2MW、45MW、11MW成套燃料电池发电设备已进入商业化生产，各等级的燃料电池发电厂相继在一些发达国家建成。燃料电池的发展创新将如百年前内燃机技术突破取代人力造成工业革命，也像电脑的发明普及取代人力的运算绘图及文书处理的电脑革命，又如网络通讯的发展改变了人们生活习惯的信息革命。燃料电池的高效率、无污染、建设周期短、易维护以及低成本的潜能将引爆21世纪新能源与环保的绿色革命。如今，在北美、日本和欧洲，燃料电池发电正以急起直追的势头快步进入工业化规模应用的阶段，将成为21世纪继火电、水电、核电后的第四代发电方式。燃料电池技术在国外的迅猛发展必须引起我们的足够重视，它已是能源、电力行业不得不正视的课题。122国内研究现状在中国的燃料电池研究始于1958年，原电子工业部天津电源研究所最早开展了MCFC的研究。70年代在航天事业的推动下，中国燃料电池的研究曾呈现出第一次高潮。其间中国科学院大连化学物理研究所研制成功的两种类型的碱性石棉膜型氢氧燃料电池系统（千瓦级AFC）均通过了例行的航天环境模拟试验。1990年中国科学院长春应用化学研究所承担了中科院PEMFC的研究任务，1993年开始进行直接甲醇质子交换膜燃料电池（DMFC）的研究。电力工业部哈尔滨电站成套设备研究所于1991年研制出由7个单电池组成的MCFC原理性电池。“八五”期间，中科院大连化学物理研究所、上海硅酸盐研究所、化工冶金研究所、清华大学等国内十几个单位进行了与SOFC的有关研究。到90年代中期，由于国家科技部与中科院将燃料电池技术列入“九五“科技攻关计划的推动，中国进入了燃料电池研究的第二个高潮。在中国科学工作者在燃料电池基础研究和单项技术方面取得了不少进展，积累了一定经验。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。我国有关部门和专家对燃料电池十分重视，1996年和1998年两次在香山科学会议上对中国燃料电池技术的发展进行了专题讨论，强调了自主研究与开发燃料电池系统的重要性和必要性。近几年中国加强了在PEMFC方面的研究力度。2000年大连化学物理研究所与中科院电工研究所已完成30KW车用用燃料电池的全部试验工作，北京富源公司当时也宣布2001年将提供40KW的中巴燃料电池，并接受订货。科技部副部长徐冠华当时也在EVS16届大会上宣布，中国将在2000年装出首台燃料电池电动车。10年前，我国尚生产不出1台几千瓦的燃料电池堆，现在却可以生产出几百千瓦的燃料电池电堆，且体积功率密度和质量功率密度、寿命、效率都有较大提高，燃料电池大巴车、小客车在奥运会上示范运行取得成功。目前我国有规模的燃料电池生产厂家达到6家，能够研发燃料电池的高等院校有60多所。哈尔滨工程大学、北京理工大学、中国科学院大连化学物理研究所等单位相继成功组装了PEMFC单体、电动车用PEMFC石墨电堆和千瓦级质子交换膜燃料电池组，电池组的性能已达到国际先进水平，具备了商业开发的条件。燃料电池汽车时“十五”期间全国12个重大研究专项之一。上海大众汽车还成立了100多人的专业队伍，投资约10亿元研发电池汽车。2研究的基本内容、拟采用的技术方案及措施本设计旨在基于MATLAB软件建立一个燃料电池模型，并根据伏安特性论述燃料电池输出与纹波关系，最终建立一个包含燃料电池、DC/DC变换器以及蓄电池的系统级模型。针对质子交换膜燃料电池输出动态响应较慢的缺陷，应设计一个适当的DC/DC变换器使燃料电池输出稳定在一个恒定的功率点，以免燃料电池不稳定的输出纹波影响负载的工作或者危害燃料电池本身。同时，在负载端并接一个输出可调的蓄电池，当负载增大或减小时，通过蓄电池补足或者吸收电能，以保证负载在恒定的直流下安全可靠的工作。本设计的硬件结构框图如图1所示，包括燃料电池、DC/DC变换器、蓄电池以及负载。其中DC/DC变换器拟采用升压斩波电路（BOOSTCHOPPER），在提高燃料电池输出电压的同时，将电压稳定在一个恒定的功率点。当燃料电池经DC/DC变换器输出稳定后，可以通过改变蓄电池的输出来适应负载的需求。图1系统硬件图3进度安排第1周开始进行毕业设计（论文）第34周学生根据网上指导教师拟定的任务，在查阅相关资料后遵照教师要求网上提交并完成开题报告。第5周进行开题报告审查。第9周各教研室教学主任在网上进行毕业设计（论文）中期检查，检查情况燃料电池组DC/DC变换器负载蓄电池报学院教学办。第13周学生上传毕业论文。第14周学生提出答辩申请。第15周准备答辩。第16周（6月35日）毕业设计（论文）评优答辩和普通答辩。4阅读的参考文献1林飞,杜欣电力电子应用技术的MATLAB仿真北京中国电力出版社,20082陈坚，电力电子学电力电子变换和控制技术北京高等教育出版社，20023朱国荣,KHLOO,YMLAI燃料电池实时电阻匹配最大功率跟踪法中国电机工程学报VOL31,NO26,SEP20114王兆安,刘进军电力电子技术北京机械工业出版社,20095ZHU,GRTAN,SCCHEN,YTSE,CK,“MITIGATIONOFLOWFREQUENCYCURRENTRIPPLEINFUELCELLINVERTERSYSTEMSTHROUGHWAVEFORMCONTROL“,IEEETRANSACTIONSONPOWERELECTRONICS,VOL28,ISSUE2,PP779792,20136孔宪文,桂敏言，冯玉全燃料电池发电技术现状与前景东北电力技术，2002,328337杨天浩新能源与电能变换系统集成，技术融合即应用展望电源世界2006,6168肖刚燃料电池技术北京电子工业出版社,20099周未，王金全，仲未秧PEM燃料电池的应用前景电池工业2004,8420821210刘明义，郑强，蒋利军小功率PEM燃料电池系统及应用进展电池工业2005，10（2）11011311GRZHU,SCTAN,KWWANG,ANDCHIKTSE,“WAVEFORMCONTROLOFFUELCELLINVERTERSYSTEMS“2012IEEEENERGYCONVERSIONCONGRESSANDEXPOSITIONECCE,PP44574463,NCSU,USA,SEP201212BPSTATISTICALREVIEWOFWORLDENERGYJUNE2005GENEVABP,200513FPROF