燃料電池不間斷電源系統的功率變換構架及控制

《燃料電池不間斷電源系統的功率變換構架及控制》是依託浙江大學，由徐德鴻擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：燃料電池不間斷電源系統的功率變換構架及控制
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：徐德鴻
• 項目類別：面上項目

項目摘要

在IT、通訊、製造業、交通、航空航天、國防等領域中廣泛套用的不間斷電源（UPS）,其軟肋是蓄電池，維護成本高，可靠性低。燃料電池取代蓄電池為UPS系統提供了高效率、長壽命、高可靠性、長備用和環保的解決方案。本項目基於質子交換膜燃料電池特性和UPS需求，探索適合質子交換膜燃料電池UPS系統的電力電子功率變換構架和控制方法，實現從氫能到交流電能高效率的能量轉換，提升系統的經濟性。針對質子交換膜燃料電池固有特性，研究燃料電池UPS系統能量管理方案，解決燃料電池特性與負載對電能質量需求的匹配問題。探索無電解電容母線支撐技術，以進一步提升系統的壽命和可靠性。解決燃料電池冷啟動的難題，實現供電模式之間無縫切換，確保負載供電質量和燃料電池的安全。研製燃料電池UPS試驗平台，驗證所提出的理論和方法。預期成果將為燃料電池UPS系統的工程化實踐提供理論指導。

結題摘要

燃料電池不間斷電源系統可廣泛套用於數據中心、先進制造、核電、國防等重大領域。本項目圍繞燃料電池不間斷電源系統的科學問題和關鍵技術開展研究。本項目首先建立了質子交換膜燃料電池的動態模型，為燃料電池不間斷電源系統的研究提供了的基礎。在深入分析質子交換膜燃料電池特性和不間斷電源系統需求的基礎上，提出了燃料電池不間斷電源系統的電力電子功率變換構架的推導方法。以變換效率、失效率和成本為測度，演繹出最優的燃料電池不間斷電源系統的電力電子功率變換構架。為彌補燃料電池動態性能不足，提出了能量管理方案，既滿足負載快速變化需求，同時減小對燃料電池的衝擊。為突破電解電容對FC UPS系統的可靠性的瓶頸，在分析不平衡負載情況下直流母線的低頻電流紋波分布的基礎上，提出了基於能量管理單元的紋波抑制控制策略，實現了直流母線穩定控制。該方法防止了低頻電流紋波進入燃料電池，改善了燃料電池的工作條件。為了延長燃料電池的壽命，在電網正常時燃料電池工作採用冷備用模式。然而燃料電池需要秒級時間以完成從冷備用模式的啟動，如果不採取有效措施就會造成負荷供電的中斷，本項目提出了燃料電池不間斷電源系統無縫切換策略，保證了負載的不間斷供電。本項目研製了10kW燃料電池UPS系統實驗平台，並在平台上驗證了本項目提出理論和方法。大量試驗表明所提出的燃料電池不間斷電源系統方案在功率變換效率、電能質量、備用時間、功率密度、環保性、可靠性等性能方面具有獨特優勢。本項目揭示了燃料電池與負荷相互作用的規律，提出了燃料電池與負荷特性相互配合的方法。獲得了燃料電池不間斷電源系統的電力電子電路、控制和系統的設計方法。