质子交换膜燃料电池供气系统控制策略研究

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)具有功率密度高、工作温度低、发电效率高和无污染等显著特点，受到了世界各国的广泛关注。开展质子交换膜燃料电池发电系统的控制研究是保持和提高质子交换膜燃料电池工作性能的重要途径，也是当前质子交换膜燃料电池系统研究的一个重要方向。本文主要针对质子交换膜燃料电池系统中供气系统对质子交换膜燃料电池性能与系统输出功率的影响及现有常用控制算法在应用到供气系统控制中存在的一些问题进行了研究，并提出了改善供气系统与系统输出功率特性的控制策略和优化算法，取得了好的控制效果。本文主要研究内容如下:
　　 首先，介绍了质子交换膜燃料电池发电系统控制的研究意义和国内外研究现状。描述了质子交换膜燃料电池电堆电压模型、阳极和阴极供气系统模型。建立了质子交换膜燃料电池SIMULINK仿真模型，并分析了在负载电流发生变化和反应气体供应量变化的情况下，供气系统对PEMFC性能的影响，提出了具体的控制目标。
　　 应用PI&PID-模糊控制方法和单自适应模型的广义预测控制方法对质子交换膜燃料电池反应气体供应系统进行了控制，讨论了控制效果。在负载电流波动下，通过对氢气和空气的进气流量进行调节，稳定电极内部气体压力、提高供气系统和PEMFC系统的响应速度、稳定质子交换膜两侧压力差、调节氧气化学计量比和提高PEMFC系统有效输出功率。仿真实验表明，PI&PID-模糊控制方法具有较好的稳态控制特性，但是调节响应速度较慢;广义预测控制算法调节速度较快，但是动态调节过程鲁棒性较差。
　　 针对上述PI&PID-模糊控制方法响应速度较慢、传统广义预测控制动态调节过程鲁棒性差的缺点，提出了基于多模型切换的阶梯式JGPC控制算法，并进行了仿真分析。仿真结果表明，该算法取得了好的控制效果:在稳定性和鲁棒性方面优于单自适应模型GPC;在控制响应速度方面，则优于PI&PID-模糊控制算法。在论文最后，提出了柔化系数在线调整的多模型切换改进广义预测控制，以改善质子交换膜两侧压力差的控制动态性能，并通过仿真实验，验证了其较好的控制效果。
　　 研究表明，提出的多模型切换改进广义预测控制和柔化系数调整多模型切换改进广义预测控制在质子交换膜燃料电池供气系统控制效果上，与PI&PID-模糊控制与传统广义预测控制算法相比，具有调节速度快、调节过程鲁棒性好等优点，实现了对质子交换膜燃料电池供气系统和输出功率动态特性的改善，提高了系统的有效输出功率。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 课题的研究意义

1．3 国内外研究现状

1．4 本文主要研究工作

第2章 PEMFC的原理及数学模型建立与仿真分析

2．1 PEMFC的原理与系统结构

2．1．1 PEMFC的工作原理

2．1．2 PEMFC系统的结构

2．2 PEMFC的模型描述

2．2．1 PEMFC的电化学模型

2．2．2 PEMFC的供气系统模型

2．3 PEMFC仿真SIMULINK实现

2．4 PEMFC动态特性仿真分析

2．5 本章小结

第3章 PEMFC反应气体供应过程控制策略研究

3．1 引言

3．2 反应气体供应的PID-模糊双模控制

3．2．1 PID-模糊双模式控制

3．2．2 PID-模糊双模控制在供气系统的应用

3．2．3 控制效果仿真

3．3 供气系统的广义预测控制

3．3．1 广义预测控制算法

3．3．2 反应气体供应过程的广义预测控制

3．3．3 控制系统仿真分析

3．4 本章小结

第四章 供气系统的改进广义预测控制

4．1 引言

4．2 多模型切换阶梯式JGPC控制策略

4．2．1 多模型集

4．2．2 多模型切换策略

4．2．3 阶梯式JGPC

4．2．4 供气系统的多模型切换阶梯改进广义预测控制

4．2．5 仿真分析

4．3 供气系统的柔化系数在线调整改进广义预测控制

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 全文工作总结与结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢

附录A 硕士期间发表论文

附录B 质子交换膜燃料电池SIMULINK模型