客製化混合電力系統模型建立與最佳化

Development and Optimization of Customized Hybrid Power Systems

陳漢哲(Han-Che Chen)

指導教授 ： 王富正

國立臺灣大學/工學院/機械工程學研究所/碩士(2015年)

https://doi.org/10.6342/NTU.2015.02898

摘要

本論文建立一套混合電力系統模型，包含燃料電池、二次電池、電力電子元件、太陽能陣列及化學產氫系統，並根據此模型進行大型電力系統成本最佳化及客製化設計，以降低系統成本及縮短系統開發時程。
首先，我們在實驗室開發一組混合電力系統，包含3kW燃料電池機組，15Ah磷酸鋰鐵電池組，1.32kW太陽能陣列系統，化學產氫系統，實驗結果證明可以用此混合電力系統，提供持續電力。其次，我們使用Matlab/SimPowerSystemTM開發混合電力系統模型，依據實驗操作設定，調整系統模型參數值，並進行模型驗證，結果顯示混合電力系統模型可準確估測真實系統之電力響應。最後，根據此混合電力系統模型及實驗參數，進行混合電力系統成本最佳化分析。電力系統成本包含各子系統元件的初始建置成本以及運作時的操作成本，由目前搭配之系統架構進行成本估算，未達到目標函數最佳化。為提升電力系統市場實用性，在成本分析時，我們可以調整混合電力系統模型之太陽能陣列及二次電池容量，並針對不同負載條件以及設置地點，進行客製化元件之容量設計及可靠度估測，以有效降低整體系統成本，並同時分析不同能量管理策略對系統成本之影響。此外，我們亦根據氫能源價格之波動，分析未來元件容量設計趨勢。
由於長時間之電力系統實驗費力耗時且測試成本昂貴，未來在實際系統建置之前，若能先行以模型模擬電力系統響應，將可有效地幫助廠商在設計電力系統初期階段，提供最佳化之系統配置分析，不僅大幅縮短開發與建置時程，亦可避免系統過度設計，節省多餘資本。

關鍵字

質子交換膜燃料電池 ； 太陽能電池 ； SimPowerSystem ； 系統最佳化 ； 成本分析

並列摘要

This thesis develops a hybrid power model that includes PEMFC, secondary battery set, DC/DC converter, PV arrays, chemical hydrogen production system and DC/AC inverter. We can apply the developed hybrid model to estimate the system responses and effectively reduce the cost and time of system development.
First, we built an experimental system that includes a 3kW PEMFC, 15Ah Li-Fe battery set, 1.32kW PV arrays and chemical hydrogen production system. The results showed that the hybrid system can provide sustaintable electricity. Second, we develop a hybrid power model by Matlab/SimPowerSystemTM, and tune model parameters based on experimental data. We further conduct several experiments for model verification, and show that the hybrid power model can successfully predict the system responses. Therefore, we can apply the developed power model for customized hybrid power systems for cost analysis and model optimization.
The system cost consists of the initial cost of each components and the operating cost during the system operation period. Considering different loading requirements, we can modify the sizes of PV arrays and battery capacities to minimize system cost, and analyze the influence of different power management strategies. In addition, we consider hydrogen price and discuss its impacts on developing hybrid power systems.
Because experimental verification of customized power systems can be very costly and time consuming, the developed hybrid system model can be applied to reduce the cost and time of developing customized power systems.

並列關鍵字

PEMFC ； solar cells ； SimPowerSystem ； system optimization ； cost analysis

參考文獻

[51] 彭致勛，燃料電池電動機車與小型車之控制與系統整合，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，2013。

[50] 李秀晟，化學產氫系統之開發與整合：應用於燃料電池混和電力系統，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，2015。

[48] 王淑玲，硼氫化鈉的儲氫系統研究，國立成功大學化學工程研究所碩士論文，2007。

[27] 郭易夫，燃料電池系統強韌性分析，國立台灣大學機械工程研究所碩士論文，2014。

[7] D. Rekioua, S. Bensmail, N. Bettar, “Development of hybrid photovoltaic-fuel cell system for stand-alone application,’’ International Journal of Hydrogen Energy, 39(3): pp.1604-1611, 2014.