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《华中科技大学》 2009年
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中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究

杨杰  
【摘要】:固体氧化物燃料电池(Solid Oxide Fuel Cell,简称SOFC)是一种高效、清洁、安静、可靠的能源转换装置,它可以将化学能直接转换为电能。SOFC具有燃料来源灵活、热电联供效率高、抗毒化性能优越、固态组件稳定性高、较高的功率密度和环境友好等自身优点,被认为是最有发展前途、最具有商业化价值的燃料电池技术之一。 目前SOFC的工作温度已经下降到750℃左右,然而这样的高温环境依然带来很大挑战。因为高温及温度变化将会给电堆机械性能带来负面作用,导致电池堆热疲劳、分层甚至断裂;此外温度变化也会给SOFC电特性带来影响,例如影响电池电压、电流密度分布和电功率等,所以对温度的管理和控制显得尤为重要。同时,国内外对SOFC性能的研究也从材料、结构和模型等逐步向电堆、系统等技术方向发展。电堆的可靠性和安全性需要高效的控制系统来实现,从而在负载波动条件下,电堆气体的温度和压力保持稳定,输出性能良好,使用寿命延长。此外,外部功率负载跟踪也是电池堆技术达到一定水平后需要考虑和分析的。本文以中温平板式SOFC电堆和系统为研究对象,探讨电堆热管理的控制策略和外部负载跟踪方法,以实现优化的温度控制和系统供能。 论文首先介绍了SOFC电池的发展,特别是目前电堆和系统研究状况。随后论文讨论了建模过程中采用的基本理论、研究方法和算法。在详细分析了模型各个子系统的结构和组成之后,采用Matlab软件建立起SOFC电堆仿真模型。对SOFC电堆热管理系统进行建模,设计并实现一种离线的改进Takagi-Sugeno(T-S)模糊模型来代替物理模型,仿真结果验证了算法的良好逼近性能。运用基于在线的优化T-S模糊模型建模和离散优化的非线性模型预测控制(Model Predictive Control,简称MPC)算法,来实时控制电堆的工作温度,仿真结果显示了较好的模型仿真性能。运用参考模型法跟踪功率负载变化,研讨了功率负载动态跟踪的一种方法。 论文的主要工作体现如下: (1)搭建千瓦级的SOFC系统模型。系统包含燃料电池堆、热管理子系统(电堆热管理和外部热管理)、燃料处理子系统、电力电子子系统和系统控制子系统等五大部分。着重分析了SOFC电堆建模过程,详细阐明了SOFC电堆的四个子系统,即电特性子系统、阴极流子系统、阳极流子系统和电堆热管理子系统。分析了电池堆四个子系统搭建所依据的基本原理和方法,探讨了子系统模型结构以及在Matlab程序中的实现。此外,讨论了外部热管理系统的构成和工作原理。 (2)采用改进的T-S模糊模型仿真分析SOFC电堆中热管理子系统。依据质量守恒和能量守恒定律建立起温度控制的焓平衡方程,完成焓入和焓出等计算,从而构建起温度控制的物理模型。系统的两个输入为空气流和氢气流,输出为电堆温度。采用改进的T-S模糊模型建模,运用所搭建物理模型产生的数据来训练和辨识改进的T-S模糊模型。结果显示,改进的T-S模糊模型的温度响应值与物理模型产生的温度响应值相似度很高。 (3)模型预测控制(MPC)建模在线实时控制SOFC电堆的温度。首先建立起MPC模型框架,然后构建一个基于优化的T-S模糊模型来仿真SOFC电堆,详细分析优化的T-S模糊模型的计算步骤和方法。阐明了MPC模型控制量离散寻优的方法及在SOFC电堆温度控制中的应用。从仿真结果看,SOFC电堆温度的模型预测控制输出和电堆实际输出之间的跟踪曲线非常逼近。 (4)探讨外部功率负载动态跟踪方法。针对外部负载通常在不同的时刻启动、加载、卸载、制动等动态变化,提出参考模型法来实现外部功率负载的跟踪。搭建一个负载动态跟踪模型,把SOFC电堆电特性模型做参考模型。通过模型构建的功率与氢气流量二者之间对应关系,实现外部功率负载的跟踪功能。
【学位授予单位】:华中科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM911.4

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【参考文献】
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1 刘忠信,孙青林,陈增强,袁著祉,杨小军,唐共民,巴鲁军,张云龙;基于T-S模型的钻杆对中自适应预测控制[J];控制与决策;2002年03期
【共引文献】
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1 吴丽娟;DMC-PID串级控制算法[J];鞍山钢铁学院学报;2000年02期
2 周福恩,毕效辉;基于遗传算法的动态矩阵预测控制算法[J];兵工自动化;2005年01期
3 孙卫华,裘丽华,祁晓野,王占林;电液复合系统中的相乘非线性控制[J];北京航空航天大学学报;2005年05期
4 范瑞霞,莫伟锋,毕军;广义预测控制在液位控制系统中的应用研究[J];北京理工大学学报;2003年02期
5 马文学,钟汉枢;动态矩阵控制研究进展及其应用现状[J];重庆工业高等专科学校学报;2005年01期
6 李东侠,张忠禄;基于神经网络的广义预测控制综述[J];常州工学院学报;2005年03期
7 刘耀年,张文生,张玉霞,殷立新;基于模糊聚类理论的电力系统短期负荷预测的方法[J];东北电力学院学报;2000年03期
8 葛宝明,孙鹤旭;同步电动机速度模态 L~∞ 预测控制的研究[J];电工技术学报;1998年04期
9 霍炬,曹贵奇,杨明;基于预测控制的PID调节位置跟踪系统的设计[J];电机与控制学报;2004年02期
10 刘钢,范大鹏,李圣怡;预测函数控制及其在火箭炮控制系统中的应用[J];弹箭与制导学报;2003年03期
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1 段明亮;李平;周姗姗;;基于T-S模糊模型的非线性预测函数控制[A];2006中国控制与决策学术年会论文集[C];2006年
2 韩敏;韩冰;;基于通用学习网络的预估控制[A];第二十三届中国控制会议论文集(上册)[C];2004年
3 罗国娟;吴刚;;预测控制中柔化因子与控制增量权重的关系[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
4 谢刚;于佐军;;基于开关量预测控制的地层环境温控系统[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
5 郑涛;吴刚;季海波;罗国娟;;一类可分离非线性系统的广义预测控制[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
6 刘晓华;邹媛媛;;一类不确定多速率采样系统的预测控制[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
7 吕红丽;贾磊;;基于模糊线性化模型的非线性预测控制[A];第二十四届中国控制会议论文集(下册)[C];2005年
8 王武;董海鹰;;面向热工过程的分层多变量模糊预测控制研究[A];第十届全国电工数学学术年会论文集[C];2005年
9 罗运辉;刘红波;宋瑞福;;基于自整定技术的新型DMC预测控制系统[A];第16届中国过程控制学术年会暨第4届全国故障诊断与安全性学术会议论文集[C];2005年
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5 冯广龙;张纪峰;;农作物需水量的建模与适应控制[A];1995年中国控制会议论文集(上)[C];1995年
6 王佰超;姜继春;王静;苗立琴;;基于UML的虚拟装配系统建模技术[A];全国先进制造技术高层论坛暨第八届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2009年
7 顾基发;唐锡晋;;综合集成系统建模[A];中国科学院系统科学研究所—上海理工大学上海系统科学研究院成立暨上海理工大学系统科学与系统工程研究所建所25周年[C];2005年
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9 冯瑞;宋春林;;一种基于局部学习的复杂系统建模方法[A];2007中国控制与决策学术年会论文集[C];2007年
10 宋辉;;推动产业经济发展的循环模型理论与应用研究[A];节能环保 和谐发展——2007中国科协年会论文集(三)[C];2007年
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1 ;ARM发布RealView系统建模器[N];人民邮电;2006年
2 ;选择SQL Server[N];电脑报;2004年
3 韩际平;青春 在数海中飞扬[N];中国信息报;2008年
4 汪汀;建立模型 简化管网 分区供水[N];中国建设报;2008年
5 ;华信培训:三月喜迎丰收[N];计算机世界;2004年
6 威廉;TMN优劣谈[N];人民邮电;2002年
7 北京和佳软件技术公司董事长兼总裁 陈佳;“和佳新一代ERP”产品与技术[N];科技日报;2003年
8 郭诚志;MES:生产与管理间的高架桥[N];中国计算机报;2007年
9 郑纬民;高性能计算机的性能评测[N];计算机世界;2006年
10 本报记者 吴晓伟;海化信息化扩张[N];计算机世界;2003年
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1 杨杰;中温固体氧化物燃料电池系统建模与控制方法研究[D];华中科技大学;2009年
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8 刘冬;电力系统中通用信息模型的研究和应用[D];郑州大学;2007年
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