質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的建模與智能控制策略研究.pdf

1、燃料電池以無污染、高效率的特性迅速成為二十一世紀(jì)解決能源問題的重要課題。質(zhì)子交換膜燃料電池除具有燃料電池一般的特點(diǎn)外，同時(shí)還具有室溫快速啟動(dòng)、無腐蝕、裝置輕便、機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，特別適用于建設(shè)分散電站(如小區(qū)熱電聯(lián)供等)以及移動(dòng)電源(如燃料電池電動(dòng)汽車、野戰(zhàn)通信電源等)，是軍民通用的新型電源，也是商業(yè)化前景很好的燃料電池。因此越來越受到世人的矚目。目前對(duì)它的研究正是如火如荼。論文的研究課題就是在此背景下提出的。 隨著PEMFC技術(shù)

2、的不斷成熟和大規(guī)模商業(yè)化，在運(yùn)行過程中，PEMFC系統(tǒng)的發(fā)電性能需要得到提高和有力的保證。目前國內(nèi)外對(duì)PEMFC性能的研究主要集中在機(jī)理模型、結(jié)構(gòu)和材料等方面。除此之外，我們還需著重從控制方案設(shè)計(jì)等方面著手。電堆的可靠性、安全性需要通過高性能控制系統(tǒng)得以保證，控制的目的在于：保證電堆在負(fù)載波動(dòng)下情況下，溫度和氣壓保持穩(wěn)定，電池的輸出性能有良好的工作曲線(電壓—電流密度曲線)；并維持其在安全可靠、高效的環(huán)境中運(yùn)行，延長電池的使用壽命。而這

3、方面是當(dāng)前國內(nèi)外PEMFC研究的一大薄弱環(huán)節(jié)，因此，在PEMFC的建模和控制研究方面，還有很多工作需要深入研究。 本課題是上海交通大學(xué)燃料電池研究所正在進(jìn)行的“985工程”項(xiàng)目“千瓦級(jí)PEMFC電堆發(fā)電系統(tǒng)的研制”課題的一部分。首先，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和燃料電池機(jī)理建立了PEMFC電堆的電特性模型，分析了影響電池輸出性能的相關(guān)參數(shù)。然后將影響電堆輸出性能的運(yùn)行參數(shù)放在電池發(fā)電系統(tǒng)中考慮，并從節(jié)能的角度出發(fā)，分析了系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)情況下的

4、運(yùn)行參數(shù)值。最后，為了保證發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)情況下，提出了兩種PEMFC系統(tǒng)的模型預(yù)測(cè)控制方案，并根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)兩種模型預(yù)測(cè)控制器進(jìn)了可行性分析和性能比較。 本論文的主要工作包括： 1.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和燃料電池機(jī)理建立了PEMFC電堆的電特性模型。深入研究了PEMFC系統(tǒng)運(yùn)行過程中電堆輸出性能與電特性模型參數(shù)的關(guān)系及運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池輸出性能的影響。影響PEMFC輸出性能的因素包括1)：電池輸出特性的參變量；2)：運(yùn)行參

5、數(shù)；3)：材料參數(shù)。重點(diǎn)考慮了電池系統(tǒng)運(yùn)行過程中運(yùn)行參數(shù)—氧氣化學(xué)計(jì)算量(氧氣利用率)對(duì)電池輸出特性的影響，并進(jìn)行了定量分析。研究結(jié)果為PEMFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)分析打下基礎(chǔ)。 2.利用專家經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，搭建了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)靜態(tài)分析。為保證系統(tǒng)運(yùn)行在最佳操作溫度下，設(shè)計(jì)了一種基于在線模糊建模和離散優(yōu)化的非線性預(yù)測(cè)控制算法控制PEMFC電堆工作溫度，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該算法的良好性能。從節(jié)能的角度出

6、發(fā)，根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效能，設(shè)計(jì)了基于優(yōu)值域的改進(jìn)遺傳算法對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)一氧氣化學(xué)計(jì)算量進(jìn)行尋優(yōu)，尋優(yōu)的結(jié)果與前面進(jìn)行電特性分析的結(jié)果是相吻合的，為系統(tǒng)的最優(yōu)運(yùn)行控制打下了理論基礎(chǔ)。 3.對(duì)陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量等參數(shù)進(jìn)行了模型辨識(shí)和智能控制。建立了兩種形式的陰極氧氣化學(xué)計(jì)算量模型：基于T-S模型和最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的辨識(shí)模型。首先基于T-S模型分別給出了兩種不同的非線性控制策略：1)第一種控制策略，直接基于非線性T

7、-S模糊模型，使用分支定界優(yōu)化方法搜索最優(yōu)控制序列(NMPCB&B)；2).第二種控制策略，也是基于非線性T-S模糊模型，在系統(tǒng)運(yùn)行的每個(gè)采樣周期，將T-S模糊模型局部動(dòng)態(tài)線性化，從而得到系統(tǒng)的線性輸入/輸出關(guān)系，并用廣義預(yù)測(cè)控制策略實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的預(yù)測(cè)控制(LDLMPC)。然后，比較了兩種控制算法的特點(diǎn)，結(jié)果表明LDCGPC在計(jì)算方面有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)；最后，給出了基于最小二乘支持向量機(jī)(LS-SVM)的建模算法，與第一種建模算法進(jìn)行了比較，