质子交换膜燃料电池混合发电系统的建模与控制

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1、上海交通大学博十学位论文摘要质子交换膜燃料电池混合发电系统建模与控制摘要质子交换膜燃料电池具有环境友好、燃料利用效率高、工作温度低、比能高、启动速度快等优点，适用于交通工具、分散电站等领域。但是成本高、寿命短等缺点严重制约着它的大规模应用。本文提出了以燃料电池为主要供电单元，在相对成本较低的镍氢蓄电池的辅助下共同组成混合供电系统。二者的结合可以扬长避短、优势互补，同时具有燃料电池高比能的特点和镍氢电池高比功率的特点，能够降低燃料电池使用成本、延长燃料电池寿命，同时还能提高系统的整体性能。目前国内外对燃料电池／蓄电池混合发电系统的研究主要集中两方面。一是在材料、组件，以及系统结构

2、、装配工艺等方面的优化或改进；二是根据反应机理建立混合发电系统的仿真模型，基于所建立的模型研究各项操作参数对整体系统性能的影响，以确定系统的最优参数，为系统实际运行提供指导。但关于混合发电系统的控制模型和控制算法的研究很少，为了保证系统稳定运行、提高系统发电性能、最终实现商业化，解决联合发电系统有关控制方面的问题势在必行。作为上海交通大学燃料电池研究所985项目“千瓦级质子交换膜燃料电池电堆发电系统的研制”课题的一部分，首先根据实验测试和机理建立了质子交换膜燃料电池／镍氢二次电池混合系统的数学模型，然后第1页上海交通大学博十宁位论文捅要又单独对燃料电池电堆建立了非参数化辨识模型

3、。接着为了保证混合发电系统的稳定运行，设计了关键变量的控制方案。最后为了使混合系统运行在最优状态下，研究了混合系统的自适应最大功率点跟踪控制问题。首先确定了混合系统的拓扑结构，然后采用了理想气体状态方程、质量守恒定理、能量守恒定理、热力学公式、动力学公式、电功率转换关系，建立了燃料电池发电系统、电源变换器、镍氢电池供电系统的数学模型。最后以模块化的灵活建模方法逐级构建了燃料电池／镍氢电池混合发电系统模型，不仅结构清晰条理，而且方便修改系统的结构设计和参数设置，从而使模型具有了普遍适用性。燃料电池是混合系统的核心，建立相应的输出特性模型是研究混合系统的基础。虽然前面已经建立了它的

4、机理模型，但是由于燃料电池工作机理的复杂性，机理模型很难做到即能够全面描述各种运行条件，同时又能精确预测其输出。本文又建立了经验和机理相结合的综合模型，这个模型包括一个基于机理的压力增量模型和一个最小二乘支撑向量机模型，二者结合起来构成的综合模型极大的简化了已有的机理模型，可以同时预测温度、电流、阳极压力、阴极压力对燃料电池输出电压的影响。以混合系统的数学模型作为基础，对系统进行了测试和分析。为了保证混合系统的稳定运行，提出了对-二些关键因素的控制方案。首先对第1l页上海变通大学博十学仔论文摘要鼻曼量曼曼!鼍喜詈鼍舅置量曼日曼皇E曼蔓—罾量■■■置蔓——■量詈曼基目置曼!皇曼■

5、曩—目鼍墨III,鼍鼍量皇薯曼曼—墨皇舅量奠■皇鼍量鼍葺阴极的氧化剂和阳极的燃料供应系统设计了多回路控制系统。然后分析了混合系统的温度控制问题，讨论了各种控制方案。最后，针对混合系统天然的变结构特点，提出了混合系统的变结构滑模控制设计。实验结果表明在滑模变结构控制系统的控制下，混合系统拥有令人满意的快速反应能力和控制精度。为了发挥燃料电池电堆的最大供电能力，使混合系统能够工作在最优状态下，提出了混合系统的最大功率点跟踪控制。首次针对燃料电池发电系统的最大功率点跟踪问题设计了自适应最大功率点跟踪控制器，自适应搜索未知且处于变化之中的最大功率点。控制器由两层组成，外层控制回路由自适

6、应极值搜索算法实时估计最大功率点，然后把最大功率点估计值作为参考值送给内层滑模控制器，由滑模控制器负责控制燃料电池始终工作在参考点上。仿真研究表明这个控制策略具有很强的鲁棒性，在快速大幅度变化的操作状态下也能够保持满意的响应速度和稳定性。关键词：质子交换膜燃料电池；镍氢电池；混合供电系统；复杂系统建模；粒子群算法；支持向量机；多囤路控制；滑模变结构控制；自适应控制；极值搜索控制；最大功率点跟踪控制第Ⅲ贝上海交通大学博十学位论文ABSTRACTIIMODELLINGANDCONTROLONPROTONEXCHANGEMEMBRANEFUELCELLHYBRIDPOWERSYSTE

7、MABSTRACTProtonexchangemembranefuelcell(PEMFC)，withitshighefficiency,environmentfriendly,lowoperatingtemperature，hi曲powerdensity,faststartupisthemostsuitableforvehicles，distributedpowerstationsandSOon．However,duetoitshighcostandshortlifetime，itisdi