Fuel Cell and Wind Power Mixed System

摘要

最近，世界对能源不断增长的需求仍然是实现可持续发展的主要挑战。在化石燃料(例如煤和石油)不能满足日益增长的能源需求之时，因此有必要寻找替代能源来实现可持续发展的能源需求。在所有可再生能源中，燃料电池和风能具有很高的能量密度，被世界各地的科学家认为是支持人类的潜在可再生能源。　　燃料电池已被认为是解决与能源危机和环境问题有关世界难题的最佳技术之一。在燃料电池中，由于质子交换膜燃料电池仅产生水作为副产物，并且它们具有高功率密度，高效率和低废气排放，在能源应用中表现出许多优势。对于燃料电池，流场设计优化是增强燃料电池运行的好方法。因此，许多研究集中在优化流场上，以改善水管理和燃料电池性能输出。这项研究显示了对流场配置设计方面的各种研究的评论，这些研究对水管理和燃料电池的运行做出了巨大贡献。在针型流场的情况下，此设计包括许多以矩形或球形配置排列的各种形状的针。因此，由于过大的排水量，膜可能会变干。同时，在直线和平行配置的情况下，这些设计包括许多单独的平行流道，以将入口连接到出口。这些设计是简单的类型，需要通过将气流平均分配到平行路径中来实现最低的压降。一些研究设计了双极板的配置，其中包括多次通过的蛇形流场，这会导致更强的肋骨对流，更均匀的气体分布以及从肋骨区域快速除水。与传统的蛇形流场相比，多通道蛇形流场有助于增强肋下对流强度和更均匀的条件，例如气体浓度，温度和压力。　　此外，对于聚合物电解质膜燃料电池(PEMFC)系统，氢和氧的比压差会导致严重的膜损失，这也对电池性能和寿命产生重大影响。此外，由于PEMFC动力学固有的非线性和系统参数的变化，固定增加的线性控制不能准确有效地控制PEMFC系统。为了克服这一问题，本文作者提出了一种具有反馈线性化的模糊神经网络控制器。由于自适应模糊神经网络控制器的本质是结合模糊控制器和神经元控制器的优点，基于神经网络控制器的优点能够在线学习以修复系统参数的变化和干扰，模糊控制器的优点是逼近系统的有效工具。因此，可以大大减少所需的模型信息量。这意味着，只需稍作修改，即可将该控制器应用于不同的PEMFC模块，并且该控制器不需要正确的模型。此外，通过使用自适应模糊神经网络控制器，消除了在控制器中调整线性增益以使反馈线性化的需要。仿真结果表明，这种可持续的自适应设计不仅可以提高控制器的精度，而且还可以提高PEMFC的抗干扰性和确定性。　　独立风力发电系统是指在没有电网连接的情况下以独立模式运行的风力涡轮机系统。这些系统方案已成为电网连接非常昂贵且不可行的偏远和岛屿地区的流行替代方案。在独立式风力发电机中，具有全额定功率转换器配置的永磁同步发电机(PMSG)被认为是小型独立式风力发电系统最有前途的技术，因为它们具有多种优势，例如高功率密度高，效率高，可靠性高，易于维护。在目前的工作中，系统方案包括使用PMSG的直驱式风力发电机，该PMSG通过全尺寸变流器连接到本地负载。但是，基于独立风力涡轮机的PMSG方案也面临几个主要挑战，如风的间歇性取决于天气和环境的变化，可能会快速或缓慢地发生。在环境条件和时间的影响下，负载随着电耗随时间和电能质量要求的变化而不断变化。因此，独立风力发电系统需要电力电子转换器，尤其是其控制器。本文介绍了独立风力发电系统的高级控制器和观测器，以应对上述挑战。详细内容如下：　　提出了PMSG风力发电机的L1自适应控制器，以在参数不确定和风湍流条件下实现最大风能提取。基于状态反馈类的多输入多输出(MIMO)系统的控制设计可以应用于系统的电流控制和速度控制。该控制器成功地解决了风力涡轮机的基本非线性问题以及未知参数的影响。此外，L1自适应控制器具有快速自适应的优点，具有良好的性能和鲁棒性。通过与间接模型参考自适应控制(MRAC)和滑模控制器的比较，通过仿真验证了系统的性能。　　独立式风力发电系统的另一个主要问题是在突然负载、不平衡负载和非线性负载下保证负载电压的性能。在本文研究中，系统方案包括一个三相逆变器和连接到负载的LC滤波器，以及带LC的三相电压逆变器的动力学模型。提出了过滤器以准确地设计所提出的控制器。提出了用于电压环路和电流环路的Super-Twist算法(STA)控制器，以在存在不确定的滤波器参数和负载变化的情况下保证负载电压的良好性能。设计了所提出的控制器，并证明了控制器的稳定性和鲁棒性。所提出的控制非常简单，因此调整控制参数容易并且控制器的计算负担低。此外，设计了Super-Twist滑模观察器(STSMO)算法来估计负载电流分量，并通过Lyapunov理论证明了其稳定性。所提出的控制器和观测器由MatLab-Simulink软件实现。通过仿真结果进行讨论和比较，以验证所提出的控制器和观测器的有效性。

目录

声明

CHAPTER 1: INTRODUCTION

1.1. Sustainable energy development

1.2. Fundamental operation of fuel cell systems

1.2.1. Proton exchange membrane fuel cell operation

1.2.2. Types of fuel cell

1.2.3. Fuel cell efficiency

1.2.4. Causes of voltage drop

1.3. Wind energy

1.3.1. Overview of wind energy

1.3.2. Turbine speed operating regions

1.3.3. Variable-speed wind turbine architecture

1.3.4. Power electronic converter

1.3.5. Standalone operation of wind turbine generator

1.3.6. Energy storage systems for wind a power system

1.4. Control isue

1.5. Contributions

1.6. Structure of thesis

CHAPTER 2: EFFECTS OF GAS CHANNEL DESIGNS ON WATER MANAGEMENT AND THEPERFORMANCE OF POLYMER ELECTROLYTE MEMBRANE FUEL CELL

2.1. Introduction

2.2. Fundamental operation of fuel cell

2.3. Impacts of flow field designs on fuel cell operations

2.3.1. Structured Techniques for Flow-Field Optimization

2.3.2. Impact of flow field pattern on fuel cell operation

2.3.3. Effect of geometrical characterizations of serpentine flow-field on fuel cell operations

2.3.4. The role of serpentine configurations constructed with sub-channels and by-passes for improving the PEMFC performance

2.3.5. Differentdesignsof theanodeand cathode flow-field forenhancing fuel cell performance

2.3.6. Effect of gas flow direction on the fuel cell operation

2.4. Summary

CHAPTER 3: DESIGN OF A ROBUST ADAPTIVE FUZZY –NEURAL NETWORK CONTROL FOR FUELCELL

3.1. Introduction

3.2. Dynamic model of PEMFC

3.3. Control design

3.3.1. Feedback linearization control design of PEMFC

3.3.2. Linear controller design of PEMFC

3.3.3. Design of adaptive fuzzy neural network control

3.4. Simulation results

3.5. Summary

CHAPTER 4: DESIGN OF L1 ADAPTIVE CONTROL FOR PMSG WIND TURBINE SYSTEM

4.1. Introduction

4.2. Wind Turbine System Description

4.2.1. Wind turbine modeling

4.2.2. PMSG Modeling

4.3. L1 Adaptive Control

4.3.1. Problem Formulation

4.3.2. L1adaptive control architecture

4.3.3. L1 Adaptive Control Design

4.3.4. Analysis of L1 Adaptive Controller

4.4. Simulation Results

4.5. Conclusions

CHAPTER 5: DESIGN OF CONTROLLER AND OBSERVER FOR THREE-PHASE INVERTER IN STANDALONE OPERATION

5.1. Introduction

5.2. Standalone DGS description and mathematical model

5.3. STA controller and observer design

5.3.1. Controller design

5.3.2. Stability of The Control System

5.3.3. Tuning the parameters of STA controller

5.3.4. Load current observer

5.3.5 The standard sliding mode controller

5.4. Simulation results

5.5. Conclusions

CONCLUSION

致谢

参考文献

APENDIX A: SYSTEM THEORY

A.1. Vector and Matrix norm

A.1.1. vector norms

A.1.2. Matrix norm

A.2. Symmetric and Positive Definite Matrices

A.3. L- spaces and L-norms

A.4. L1 –stability

A.5. Projection operator for Adaptation laws

APPENDIX B: LIST OF PUBICATIONS