燃料电池的建模与控制及其在分布式发电中的应用PDF电子书下载

第1章 绪论 1

1.1背景：美国电网的形成与重构简介 2

1.2电力管制放开和分布式发电 5

1.3分布式电源的类型 6

1.4燃料电池分布式电源 8

1.5氢能经济 11

1.5.1简介 11

1.5.2转型到氢能经济的挑战 12

1.5.3氢的生产 12

1.5.4氢能的存储和配送 16

1.5.5美国能源部的与氢有关的活动 16

1.5.6本书的任务 18

参考文献 20

第2章 燃料电池的工作原理 22

2.1引言 23

2.2元素的化学能与热能 23

2.3热力学基础 24

2.3.1热力学第一定律 24

2.3.2热力学第二定律 24

2.4电化学基础 26

2.4.1吉布斯自由能 26

2.5化学反应中的能量平衡 27

2.6能斯特方程 28

2.7燃料电池的基础 29

2.8燃料电池的类型 30

2.9燃料电池等效电路 39

2.10双电层电容效应 40

2.11总结 41

参考文献 42

第3章 质子交换膜燃料电池的动态建模与仿真 43

3.1引言：燃料电池动态模型的需求 44

3.2专门术语（PEMFC ） 44

3.3 PEMFC的动态模型建立 47

3.3.1电极上的气体扩散 48

3.3.2物质守恒 50

3.3.3 PEMFC的输出电压 50

3.3.4 PEMFC的电压降 51

3.3.5 PEMFC热力学平衡 53

3.4 PEMFC的模型结构 54

3.5 PEMFC的等效电路模型 55

3.6 PEMFC模型的验证 59

参考文献 64

第4章 固体氧化物燃料电池的动态建模与仿真 65

4.1引言 66

4.2术语（SOFC） 66

4.3 SOF C动态建模 68

4.3.1有效分压 69

4.3.2物质守恒 71

4.3.3 SOFC输出电压 72

4.3.4管状SOFC的热力学能量平衡 76

4.4 SOFC动态模型结构 78

4.5恒定燃料流量操作下SOFC模型的响应特性 79

4.5.1稳态特性 79

4.5.2动态响应 81

4.6恒定燃料利用率模式下的SOFC模型响应 85

4.6.1稳态特性 86

4.6.2动态响应 87

参考文献 88

第5章 电解槽的运行原理和建模 90

5.1电解槽的运行原理 91

5.2电解槽的动态建模 92

5.2.1电解槽的静态（V-I）特性 93

5.2.2制氢速率的建模 93

5.2.3电解槽的热模型 94

5.3电解槽模型的实现 95

参考文献 97

第6章 应用于燃料电池的功率变换器 98

6.1引言 99

6.2功率半导体开关器件的概述 100

6.2.1二极管 100

6.2.2晶闸管 100

6.2.3双极结型晶体管 101

6.2.4金属-氧化物半导体场效应晶体管 102

6.2.5门极可关断晶闸管 103

6.2.6绝缘栅双极型晶体管 103

6.2.7 MOS控制晶闸管 104

6.3 AC/DC整流器 105

6.3.1电路拓扑 105

6.3.2三相可控整流器的简化模型 107

6.4 DC/DC变换器 110

6.4.1升压变换器 110

6.4.2降压变换器 114

6.5三相DC/AC逆变器 117

6.5.1电路拓扑 117

6.5.2状态空间模型 119

6.5.3 abc/dq变换 122

6.5.4 dq坐标系下状态空间模型 123

6.5.5三相VSI的理想模型 124

参考文献 127

第7章 并网型燃料电池发电系统的控制 128

7.1引言 129

7.2并网系统的配置 129

7.2.1 PEMFC单元的配置 130

7.2.2 SOFC单元的配置 131

7.3 DC/DC变换器和逆变器的控制器的设计 132

7.3.1升压DC/DC变换器电路和控制器的设计 132

7.3.2三相VSI的控制器的设计 136

7.4仿真结果 143

7.4.1期望输出到电网的有功和无功功率——重载 143

7.4.2轻载情况下向电网输出有功功率、从电网吸收无功功率 146

7.4.3燃料电池的负载性能跟随分析 150

7.4.4故障分析 152

7.5总结 154

参考文献 154

第8章 独立型燃料电池发电系统的控制 157

8.1引言 158

8.2系统描述和控制策略 158

8.3减缓负载瞬变控制 159

8.3.1铅酸蓄电池的电路模型 160

8.3.2电池充/放电控制器 161

8.3.3滤波器的设计 162

8.4仿真结果 163

8.4.1负载的暂态变化 163

8.4.2负载瞬变减缓 166

8.4.3蓄电池充/放电控制器 170

8.5总结 172

参考文献 172

第9章 基于混合燃料电池的能源系统案例研究 174

9.1引言 175

9.2混合电子接口系统 176

9.2.1直流耦合系统 176

9.2.2交流耦合系统 178

9.2.3不同于并网系统的独立运行系统 178

9.3热电混合运行模式下的燃料电池 179

9.4案例研究Ⅰ：风能-光伏-燃料电池混合式独立发电系统 180

9.4.1系统结构 180

9.4.2系统单元规格 182

9.4.3系统组件特性 185

9.4.4系统控制 186

9.4.5仿真结果 191

9.5案例研究Ⅱ：混合运行模式SOFC的效率评估 196

9.5.1热力学定律与SOFC效率 196

9.5.2氢燃料热值 200

9.5.3 SOFC电效率 201

9.5.4混合热电联产运行模式SOFC的效率 202

9.6总结 204

参考文献 204

第10章 燃料电池目前的挑战和发展趋势 210

10.1引言 211

10.2燃料电池系统运行 211

10.2.1燃料处理器 211

10.2.2燃料电池堆 212

10.2.3功率调节器系统 213

10.2.4发电厂平衡（BOP）系统 215

10.3当前的挑战和机遇 216

10.3.1成本 216

10.3.2燃料和燃料基础设施 216

10.3.3材料和制造 217

10.4美国燃料电池研发项目 218

10.4.1美国能源部的SOFC相关项目 218

10.5燃料电池的未来：综述和作者的观点 219

参考文献 220

附录 运行PEMFC、 SOFC模型及其分布式发电应用模型的指南 223