質(zhì)子交換膜燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池具有環(huán)境友好、燃料利用效率高、工作溫度低、比能高、啟動速度快等優(yōu)點(diǎn)，適用于交通工具、分散電站等領(lǐng)域。但是成本高、壽命短等缺點(diǎn)嚴(yán)重制約著它的大規(guī)模應(yīng)用。本文提出了以燃料電池為主要供電單元，在相對成本較低的鎳氫蓄電池的輔助下共同組成混合供電系統(tǒng)。二者的結(jié)合可以揚(yáng)長避短、優(yōu)勢互補(bǔ)，同時(shí)具有燃料電池高比能的特點(diǎn)和鎳氫電池高比功率的特點(diǎn)，能夠降低燃料電池使用成本、延長燃料電池壽命，同時(shí)還能提高系統(tǒng)的整體性能。 目前國內(nèi)外

2、對燃料電池/蓄電池混合發(fā)電系統(tǒng)的研究主要集中兩方面。一是在材料、組件，以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、裝配工藝等方面的優(yōu)化或改進(jìn)；二是根據(jù)反應(yīng)機(jī)理建立混合發(fā)電系統(tǒng)的仿真模型，基于所建立的模型研究各項(xiàng)操作參數(shù)對整體系統(tǒng)性能的影響，以確定系統(tǒng)的最優(yōu)參數(shù)，為系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行提供指導(dǎo)。但關(guān)于混合發(fā)電系統(tǒng)的控制模型和控制算法的研究很少，為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行、提高系統(tǒng)發(fā)電性能、最終實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，解決聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有關(guān)控制方面的問題勢在必行。 作為上海交通大學(xué)燃料電池

3、研究所985項(xiàng)目“千瓦級質(zhì)子交換膜燃料電池電堆發(fā)電系統(tǒng)的研制”課題的一部分，首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)測試和機(jī)理建立了質(zhì)子交換膜燃料電池/鎳氫二次電池混合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后又單獨(dú)對燃料電池電堆建立了非參數(shù)化辨識模型。接著為了保證混合發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，設(shè)計(jì)了關(guān)鍵變量的控制方案。最后為了使混合系統(tǒng)運(yùn)行在最優(yōu)狀態(tài)下，研究了混合系統(tǒng)的自適應(yīng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制問題。首先確定了混合系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，然后采用了理想氣體狀態(tài)方程、質(zhì)量守恒定理、能量守恒定理、熱力學(xué)

4、公式、動力學(xué)公式、電功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立了燃料電池發(fā)電系統(tǒng)、電源變換器、鎳氫電池供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。最后以模塊化的靈活建模方法逐級構(gòu)建了燃料電池/鎳氫電池混合發(fā)電系統(tǒng)模型，不僅結(jié)構(gòu)清晰條理，而且方便修改系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)置，從而使模型具有了普遍適用性。 燃料電池是混合系統(tǒng)的核心，建立相應(yīng)的輸出特性模型是研究混合系統(tǒng)的基礎(chǔ)。雖然前面已經(jīng)建立了它的機(jī)理模型，但是由于燃料電池工作機(jī)理的復(fù)雜性，機(jī)理模型很難做到即能夠全面描述各種運(yùn)行條

5、件，同時(shí)又能精確預(yù)測其輸出。本文又建立了經(jīng)驗(yàn)和機(jī)理相結(jié)合的綜合模型，這個(gè)模型包括一個(gè)基于機(jī)理的壓力增量模型和一個(gè)最小二乘支撐向量機(jī)模型，二者結(jié)合起來構(gòu)成的綜合模型極大的簡化了已有的機(jī)理模型，可以同時(shí)預(yù)測溫度、電流、陽極壓力、陰極壓力對燃料電池輸出電壓的影響。 以混合系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型作為基礎(chǔ)，對系統(tǒng)進(jìn)行了測試和分析。為了保證混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，提出了對一些關(guān)鍵因素的控制方案。首先對陰極的氧化劑和陽極的燃料供應(yīng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多回路控制系統(tǒng)

6、。然后分析了混合系統(tǒng)的溫度控制問題，討論了各種控制方案。最后，針對混合系統(tǒng)天然的變結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出了混合系統(tǒng)的變結(jié)構(gòu)滑?？刂圃O(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在滑模變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)的控制下，混合系統(tǒng)擁有令人滿意的快速反應(yīng)能力和控制精度。為了發(fā)揮燃料電池電堆的最大供電能力，使混合系統(tǒng)能夠工作在最優(yōu)狀態(tài)下，提出了混合系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤控制。首次針對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點(diǎn)跟蹤問題設(shè)計(jì)了自適應(yīng)最大功率點(diǎn)跟蹤控制器，自適應(yīng)搜索未知且處于變化之中的最大功率點(diǎn)。