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与传统石化燃料相比,燃料电池发电系统不但具有低能耗、洁净、高效率等优势,而且可以结合核能、生物能、太阳能、风能等发电技术,将能源利用形式多元化、可再生化和可持续化。目前,电能利用率已成为制约燃料电池大规模推广应用的瓶颈,而先进的功率调节技术是解决该问题的关键所在,已经成为燃料电池发电技术领域研究的热点。本文以数字信号处理器(TMS320F2812 DSP)为控制核心,建立了全数字化控制的燃料电池发电功率调节系统,并对系统输出特性进行了深入研究。
首先,根据燃料电池调节系统的非线性特性,应用微分几何理论知识,建立了燃料电池电站在独立运行时,适应混合型负载情况的三相逆变电源线性复杂空间状态系统模型,为系统理论分析和建模仿真奠定了基础。
根据建立的线性化模型,对两种主电路拓扑结构进行了基于MATLAB的仿真研究,确定了燃料电池子系统与逆变系统采用直接连接的方式。并对系统主电路运行参数进行了优化设计,同时根据运行特点,对系统的检测电路、驱动电路等辅助硬件电路进行了优化设计,包括增加预负载、市电相位检测电路等。
其次,根据主电路拓扑结构,设计了以TMS320F2812 DSP为控制核心的全数字化控制系统,采用电压瞬时值外环电流值内环的双闭环数字化PI控制策略,实现SPWM脉宽调制实时数字化控制。在分析燃料电池工作特点基础上,从软件角度为功率调节系统增加了软件锁相环、软启动等功能,以及软件抗干扰措施,为系统的安全稳定运行建立了良好的工作环境。
最后,根据设计目标,本文采用电源质量分析仪对系统输出进行了全面测试,系统稳态特性、动态特性、波形畸变率都达到设计要求。此外,针对燃料电池输出电压波动区间,调节系统从控制角度,成功将系统输出电压稳定在工频220V,误差不超过1V;在重载情况下,系统输出工作范围稳定在216V~220V,系统完全达到50kW带载要求。实验证明,本论文的设计和控制策略是正确可行的。