燃料电池发电是21世纪重要的分布式新能源发电方式之一。燃料电池发电系统由于具有功率密度大、效率高、噪音低、环保、适应性强,不受地域、气候限制等特点,在一些需要高功率密度和高效率电源的领域,如交通、通信、计算机网络、航空航天、国防等,有着良好的应用发展前景。本文主要针对以下三项研究内容展开：1.燃料电池发电系统结构和高效功率变换的研究；2.负载动态特性匹配的能量管理技术；3孤岛检测和保护技术。在本文的第一章中,介绍了燃料电池的基本工作原理、类型、发展和一些典型的应用；对典型的燃料电池发电系统结构作了回顾,介绍了一些典型的电路拓扑结构；对用于保护燃料电池工作寿命,提高燃料利用率的能量管理技术研究现状进行了小结；介绍了现有的一些孤岛检测方法。高效的功率变换技术是提高燃料电池容量利用率,降低整个燃料电池发电系统成本的关键。本文的第二章从燃料电池的静态和动态输出特性测试出发,根据系统要求,设计了应用于燃料电池并网发电系统的两个隔离型软开关前级DC／DC变换器,分别为采用逆阻型IGBT的电流型全桥ZCS-DC／DC变换器和采用MOSFET的电压型全桥ZVS-DC／DC变换器。以两个变换器的设计作为具体实例,从功率开关应力、输入电流纹波、变换效率和动态特性等几个方面对两个变换器设计做了对比,通过仿真或实验对分析进行了验证。然后综合比较结果确定了更适合应用于本燃料电池发电系统的结构。能量管理技术的主要功能是在系统负载变化时,提供负载功率中的高频分量,保障燃料电池的工作安全。本文的第三章从超级电容的储能利用率和对负载功率冲击抑制两方面出发,对比了燃料电池发电系统能量管理单元中不同储能元件的接入方式。通过对燃料电池动态特性的测试得到了能量管理的设计指标,分析和设计了燃料电池发电系统中的能量管理单元,包括控制环路的建模、控制器和滤波器的设计、超级电容的选择设计和能量管理算法的设计。通过仿真和实验结果对前面的分析和设计进行了验证。非检测区(Non-Detection Zone NDZ)是衡量和比较孤岛检测方法有效性的重要指标,因并网控制模式的不同,同样的孤岛检测方法所对应的非检测区存在差异。本文第四章基于分布式发电装置中常用的恒流并网控制模式,分析了两种最常用孤岛检测保护方法,高／低电压检测(OVP／UVP)和高／低频率检测(OFP／UFP)的NDZ特性,通过电路求解的方式获得NDZ边界描述方程,最后通过仿真结果进行了验证。本章还对基于频率检测的有源孤岛检测方法AFD方法进行了分析,针对AFD方法的NDZ难以在有功、无功偏差平面表示的问题,通过时域求解的方式对此类方法进行分析,获得其NDZ边界在有功、无功偏差坐标平面描述方程,并通仿真结果对分析进行了验证。本文的第五章介绍了燃料电池发电系统样机的设计,包括模块化的系统结构设计、控制架构设计、通讯设计以及变换器的控制设计,给出了燃料电池发电系统样机在独立运行和并网运行以及两种模式切换时的实验结果。