質子交換膜燃料電池家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)的仿真分析和控制設計研究.pdf

1、質子交換膜燃料電池(PEMFC)潔凈高效、燃料豐富、靈活可靠，尤其在電動汽車和小型分布式發(fā)電雙重市場的應用潛力使其得到了快速發(fā)展，世界范圍內正在為即將到來的產業(yè)化積極地進行準備。我國對PEMFC作為交通動力源的研究和開發(fā)已經取得了一定的成績，有大量的示范項目。但是，由于建筑供電和采暖的能耗大、環(huán)境污染和近年來發(fā)生的電網故障，以及電力緊張導致高峰用電時不得不拉閘限電的現狀，國內已經提出PEMFC在分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供上的應用，但是目前研究

2、仍處于起步階段，落后于其他國家的研究水平。 因此，本文參考國內外PEMFC的研究經驗，以實際應用為目標，采用動態(tài)建模和仿真實驗為研究手段，設計實現具有良好性能的60kw PEMFC家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并且通過綜合控制實現其穩(wěn)定運行，為PEMFC分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供技術的實際開發(fā)和應用提供理論指導。研究的具體內容和成果包括： 1)建立了60kW PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動態(tài)數學模型。針對系統(tǒng)結構龐大和性能復雜的特點，應用M

3、ATIAB／SIMULINK仿真軟件，采用靈活的模塊化建模方法，先分別建立了PEMFC電堆、陽極側燃料流動、陰極側空氣流動、電管理和熱管理子系統(tǒng)的模型，然后連接實現了PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動態(tài)模型。經仿真驗證，該系統(tǒng)動態(tài)模型能夠正確反映各種操作參數的動態(tài)變化和系統(tǒng)電能、熱能的輸出特性，可以作為系統(tǒng)仿真設計、性能分析和控制研究的有效工具。而且，模型把系統(tǒng)的一些物理結構參數也作為變量，從而具有了普遍適用性。系統(tǒng)模型的普遍適用性和靈活的模塊

4、化建模方法，不僅使60kwPEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在仿真階段便于進行系統(tǒng)結構、參數和控制的設計，將來實際應用時便于調整，而且，使系統(tǒng)模型可以方便地應用于其他相似的PEMFC系統(tǒng)的仿真研究。 2)提出并驗證了60kW PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定運行的綜合控制設計。目前文獻都是強調對PEMFC系統(tǒng)某些性能參數的獨立研究。因為系統(tǒng)的強非線性動態(tài)特性和多參數耦合的特點，所以只有通過綜合控制使其運行時實現所有要求的性能指標才具有實際的應用

5、意義。本文針對系統(tǒng)結構龐大、參數繁多和性能復雜的性質，采用分塊簡化再整合的處理方法，先對系統(tǒng)的陽極側操作參數、陰極側操作參數、輸出功率、電壓、電堆工作溫度和熱能存儲溫度分別進行獨立控制，然后將各部分內容連接起來，在最嚴酷的電階躍負載的情況下，仿真實現了系統(tǒng)良好的穩(wěn)定運行。以實際應用為目的，設計了二變量單神經元Pl解耦控制和神經網絡非線性逆控制，其具有結構簡單、易實現的優(yōu)點，以及良好的自適應和抗干擾能力，得到的控制結果滿足系統(tǒng)要求。

6、 3)以系統(tǒng)的動態(tài)模型和仿真實驗為基礎，通過重復設計、分析、評價和改進，逐步實現了性能良好的60kW PEMFC家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結構設計、動態(tài)建模和仿真、綜合控制和熱管理的研究過程中，采用了有效的研究方法，得到的研究結果不僅為其進一步的研究和開發(fā)提供了理論依據，而且為其他PEMFC系統(tǒng)的研究提供了參考。尤其在完成了系統(tǒng)的設計和控制運行之后，按照Hawkes的建議，根據10個典型家庭用戶一天的能量需求對系統(tǒng)進行性能評價時發(fā)現