質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，適用于交通工具、分散電站等領域。但是成本高、壽命短等缺點嚴重制約著它的大規(guī)模應用。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)。二者的結合可以揚長避短、優(yōu)勢互補，同時具有燃料電池高比能的特點和鎳氫電池高比功率的特點，能夠降低燃料電池使用成本、延長燃料電池壽命，同時還能提高系統(tǒng)的整體性能。 目前國內外

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)結構、裝配工藝等方面的優(yōu)化或改進；二是根據(jù)反應機理建立混合發(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)實際運行提供指導。但關于混合發(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)定運行、提高系統(tǒng)發(fā)電性能、最終實現(xiàn)商業(yè)化，解決聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)有關控制方面的問題勢在必行。 作為上海交通大學燃料電池

3、研究所985項目“千瓦級質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)實驗測試和機理建立了質子交換膜燃料電池/鎳氫二次電池混合系統(tǒng)的數(shù)學模型，然后又單獨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)定運行，設計了關鍵變量的控制方案。最后為了使混合系統(tǒng)運行在最優(yōu)狀態(tài)下，研究了混合系統(tǒng)的自適應最大功率點跟蹤控制問題。首先確定了混合系統(tǒng)的拓撲結構，然后采用了理想氣體狀態(tài)方程、質量守恒定理、能量守恒定理、熱力學

4、公式、動力學公式、電功率轉換關系，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)學模型。最后以模塊化的靈活建模方法逐級構建了燃料電池/鎳氫電池混合發(fā)電系統(tǒng)模型，不僅結構清晰條理，而且方便修改系統(tǒng)的結構設計和參數(shù)設置，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，建立相應的輸出特性模型是研究混合系統(tǒng)的基礎。雖然前面已經建立了它的機理模型，但是由于燃料電池工作機理的復雜性，機理模型很難做到即能夠全面描述各種運行條

5、件，同時又能精確預測其輸出。本文又建立了經驗和機理相結合的綜合模型，這個模型包括一個基于機理的壓力增量模型和一個最小二乘支撐向量機模型，二者結合起來構成的綜合模型極大的簡化了已有的機理模型，可以同時預測溫度、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)學模型作為基礎，對系統(tǒng)進行了測試和分析。為了保證混合系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，提出了對一些關鍵因素的控制方案。首先對陰極的氧化劑和陽極的燃料供應系統(tǒng)設計了多回路控制系統(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)天然的變結構特點，提出了混合系統(tǒng)的變結構滑?？刂圃O計。實驗結果表明在滑模變結構控制系統(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)的最大功率點跟蹤控制。首次針對燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的最大功率點跟蹤問題設計了自適應最大功率點跟蹤控制器，自適應搜索未知且處于變化之中的最大功率點。