5kW质子交换膜燃料电池系统的建模与控制

摘要

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC)发电系统发电效率高，对环境无污染，是21世纪很有发展前景的清洁能源技术之一。燃料电池系统具有复杂非线性系统的一些特点，影响其输出性能的因素较多。自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming，ADP)算法在求解非线性系统的最优控制解方面具有优势，使用自适应动态规划算法实现对非线性系统的优化控制，是一种有益的尝试。　　 首先，本文在分析了5kW质子交换膜燃料电池系统组成结构与运行机理的基础上，建立了电池堆和周边辅助设备的机理模型，详细分析了一些重要运行参数如反应气体流量、电池堆工作温度、电池堆相对湿度等，对燃料电池系统输出性能的影响，并在MATLAB/Simulink环境下建立了相应的仿真模型。　　 其次，依据自适应动态规划基本原理，使用三层BP神经网络构建了自适应动态规划算法的网络架构，将建立好的燃料电池堆机理模型应用于自适应动态规划算法中，设计了启发式动态规划(Heuristic DynamicProgramming，HDP)控制器、双启发式动态规划(Dual HeuristicProgramming，DHP)控制器和执行依赖启发式动态规划(Action DependentHeuristic Dynamic Programming，ADHDP)控制器。　　 然后，在对燃料电池堆氢气流量的控制中，分别采用了传统的PID控制器和HDP控制器；在对燃料电池堆工作温度的控制中，分别采用了PID控制器和DHP控制器。仿真结果表明，启发式动态规划和双启发式动态规划算法取得的控制效果总体上要优于传统的PID控制。　　 最后，在对阴极空气流量和阴极相对湿度同时进行控制时，使用ADHDP控制器进行了多输入/输出控制。仿真结果表明，ADHDP控制进入稳态的时间短，超调量小，稳定性强，显示了良好的控制特性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 燃料电池概述

1.1.1 课题背景与意义

1.1.2 氢氧燃料电池原理与燃料电池种类

1.2 质子交换膜燃料电池建模研究现状

1.3 质子交换膜燃料电池控制研究现状

1.4 自适应动态规划原理及应用研究现状

1.5 本文的主要工作

第二章 自适应动态规划算法原理

2.1 动态规划与自适应动态规划

2.2 自适应动态规划基本原理

2.3 启发式动态规划

2.4 双启发式动态规划

2.5 执行依赖自适应动态规划

2.6 本章小结

第三章 5KW质子交换膜燃料电池系统设计

3.15KW燃料电池堆设计

3.2 氢气供给系统设计

3.3 空气供给系统设计

3.4 加湿系统设计

3.5 水热管理系统设计

3.6 控制系统设计

3.7 本章小结

第四章 5KW质子交换膜燃料电池系统建模

4.1 质子交换膜燃料电池堆机理模型

4.1.1 输出电压模型

4.1.2 阴极和阳极流道模型

4.1.3 电池堆工作温度模型

4.1.4 电池堆相对湿度模型

4.2 辅助设备模型

4.2.1 鼓风机模型

4.2.2 电磁阀模型

4.2.3 加湿器模型

4.2.4 水循环泵模型

4.3 SIMULINK模型的建立

4.3.1 电池堆电压的Simulink模型

4.3.2 电池堆温度的Simulink模型

4.3.3 电池堆相对湿度的Simulink模型

4.4 本章小结

第五章 燃料电池堆运行参数控制

5.1 PID控制策略简介

5.2 氢气流量的PID控制

5.3 HDP控制器

5.3.1 HDP控制器的设计

5.3.2 HDP控制器的训练

5.3.3 HDP控制器的参数选择

5.4 氢气流量控制策略的仿真比较

5.5 电池堆温度的PID控制

5.6 DHP控制器

5.6.1 DHP控制器的设计

5.6.2 DHP控制器的训练

5.6.3 DHP控制器的参数选择

5.7 电池堆温度控制策略的仿真比较

5.8 使用ADHDP算法的多输入/输出控制

5.8.1 ADHDP控制器的设计

5.8.2 ADHDP控制器的训练

5.9 使用ADHDP控制的仿真分析

5.10 本章小结

第六章 总结与未来工作展望

6.1 总结

6.2 未来工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文