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摘 要

在资源短缺、环境污染日益严重的今天，固体氧化物燃料电池（SOFC）这一新型的绿色能源受到越来越多的重视。由于其能量转化效率高、对环境十分友好，越来越多国家和地区投入资金对其进行研究并使其产业化。SOFC可以直接把储存在反应物中的化学能转化成电能。此外，分布式能源是电力系统的一个新的发展和研究方向，在能源的高效利用及灵活调度方面具有极大的潜能和优势。提高可控分布式能源如燃料电池并网后的负荷跟踪能力，对于维护微网系统的可靠稳定运行具有重要实际意义。

本文对固体氧化物燃料电池并网发电系统的动态模型进行了研究。首先根据电化学模型搭建了SOFC模块，通过仿真得出了它的极化特性曲线，总结出SOFC系统具有高度的非线性，并分析了不同工作温度对SOFC输出电压的影响。通过Boost变换器将SOFC输出的直流电压升高到650V，接着通过三相逆变器对高压直流电进行变换，再经过LC滤波器的作用，得到谐波小于5%、频率50Hz、电压峰值311V的交流电，符合并网要求。

本文基于Matlab/Simulink软件环境，对SOFC并网发电系统进行了仿真研究。实验结果表明：在储能装置和电力设备的配合下,SOFC可以向微电网提供稳定的功率输出,且具有一定的负荷跟踪能力。

关键词：固体氧化物燃料电池，并网，Boost变换器，DC-AC逆变器

Abstract

With the resource shortage and increasingly serious environmental pollution today, solid oxide fuel cell (SOFC) this new green energy has been more and more attention. Because of its high efficiency of energy conversion and very little pollution, more and more countries and regions invest in its research and its industrialization. SOFC can convert the chemical energy in fuel and oxidant directly to electricity.

In addition, distributed energy is a new development and research direction of the power system, which has great potential and advantages in the efficient use of energy and flexible scheduling. It is of great practical significance to maintain the reliable and stable operation of the micro-grid system by improving the load tracking ability of the controllable distributed energy such as fuel cell.

In this paper, the dynamic mathematical model of SOFC and its grid-connected power generation system is studied. Firstly, the SOFC module is built according to the electrochemical model. The polarization characteristic curve of the SOFC system is obtained by simulation. The influence of different operating temperature on SOFC output voltage is analyzed. Through the Boost converter, DC voltage which SOFC output will be raised to 650V. then, through the three-phase inverter and the LC filter, we can achieve the AC voltage which meets the grid requirements finally, with the THDs of the current less than 5% , frequency 50Hz and voltage peak 311V AC.

Based on the Matlab / Simulink software environment, this paper simulates the SOFC grid-connected power generation system. The experimental results show that the SOFC can provide a stable power output to the micro-grid with the support of the energy storage device and the electric power equipment, and has some load tracking ability.

Keywords: solid oxide fuel cell, grid connected, Boost converter, DC-AC inverter

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题的背景与意义 1

1.2 燃料电池概述 2

1.2.1 燃料电池的工作原理及特点 2

1.2.2 燃料电池的分类及发展现状 3

1.3 固体氧化物燃料电池概述 4

1.3.1 的工作原理及特点 4

1.3.2 固体氧化物燃料电池的分类 6

1.3.3 固体氧化物燃料电池发展概况 6

1.4 并网要求和相关标准 7

1.5 本文主要研究内容 9

第二章 燃料电池建模与仿真分析 10

2.1 SOFC的建模假设 10

2.2 SOFC的电动势、开路电压和工作电压 10

2.1.1 活化极化 12

2.1.2 欧姆极化 12

2.1.3 浓差极化 13

2.3 SOFC的电化学模型 14

2.4 SOFC的Simulink建模 16

2.5 SOFC仿真模型的运行与分析 17

2.6 本章小结 23

第三章 燃料电池并网运行与控制 24

3.1 Boost变换器及其控制 24

3.2 三相并网逆变器及其控制 25

3.3 LC滤波器的设计 28

3.4 SOFC并网模型的搭建 29

3.5 SOFC并网的仿真和分析 30

3.6 本章小结 35

第四章 总结与展望 36

4.1 本文主要研究内容 36

4.2 不足和展望 36

参考文献 37

致 谢 39

第一章 绪论

1.1 课题的背景与意义

能源（Energy）是人类生存和社会发展的重要物质基础，也是制约经济发展的重要因素之一。随着全球工业化的加速和社会的不断发展，人类对能源的需求与依赖不断增长，致使化石能源面临日益枯竭的危机。受卡诺循环（Carnot Cycle）的影响，传统能源体系的能量转化过程效率低下，造成了严重的资源浪费^[1]。另外，使用传统能源造成的环境污染问题也不容小觑。解决能源和环境这两大问题，将是人类当前以致未来很长一段时间内要努力实现的^[2]。

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