收藏本站
《昆明理工大学》 2010年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

质子交换膜燃料电池的综合智能协调控制研究

詹跃东  
【摘要】:在当前石油、天然气、煤等燃料紧张,电力供应不足,城市污染严重的情况下,燃料电池已经成为全球能源领域开发的热点。燃料电池是一种将持续供给的燃料和氧化剂中的化学能连续不断地转化为电能和热能的电化学装置,且没有中间的燃烧步骤。质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,简称PEMFC)由于具有功率密度高,能量转换率高、无污染、无噪音、低温条件下快速启动和可以实现零排放等优点,可作为便携式电子产品的移动电源,也可应用于中小型集中供电或分散式供电系统中,被称为21世纪的绿色环保能源,极具开发潜力和应用前景,是今后商业化前景最好的燃料电池。目前,PEMFC受到世界范围各国政府、研究机构和企业的重视,被列入未来世界十大科技之首。 本论文是中国昆明理工大学和澳大利亚悉尼科技大学联合开发项目"PEMFC燃料电池的建模和控制研究”的主要部分。本论文研究的主要目的是为了提高PEMFC的输出特性,基于对PEMFC进行动态输出特性模型、动态气体传输模型、动态热传输模型和质子交换膜的水传输模型研究,提出有效的防止电池因控制因素导致性能衰减或失效的综合智能协调控制策略,并将PEMFC发电系统集成于不间断电源(UPS)中,作为移动电源系统及其产品开发。 本论文的研究内容是在PEMFC输出特性影响因素的深入分析的基础上,对PEMFC热力学、反应动力学、质量与电荷传输、建模与控制和电池性能评价等方面进行理论研究,以及对PEMFC和UPS特性和模型参数的测量进行实验研究。由于PEMFC的输出性能依赖许多参数和因素,如氢气和氧气/空气的压力和流量、膜的温度和湿度以及化学计量比等等,所以,为了得到较好的PEMFC发电系统输出性能和温度特性,一些智能控制算法,如模糊控制、神经网络控制、预测控制和滑模变结构控制等,通过物理实现、实验测试和数字仿真等进行混合PEMFC-UPS电源系统的应用研究和试验。特别是将提出的综合智能协调控制策略应用于变化负载下的混合PEMFC-UPS电源系统中,通过相关实验研究,获得了满意的控制效果,具有一定的理论和应用价值。 本论文的研究方法是首先设计开发了适用于千瓦级的PEMFC发电系统和UPS电源系统,作为混合PEMFC-UPS电源系统的实验装置。其次,分析了影响PEMFC输出特性的参数和因素,进行了影响因素分类研究,并提出了其输出性能的评价方法。然后,基于PEMFC发电系统的动态输出特性模型,为提高PEMFC输出特性和防止电池失效,提出了综合智能协调控制策略。另外,基于不精确的PEMFC动态热传输模型,进行了模糊自适应滑模变结构PEMFC温度控制和基于径向基(RBF)神经网络的模糊预测PEMFC温度控制的仿真实验研究。最后,实验和仿真结果验证了上述控制研究的可行性和正确性。 本论文的主要工作和研究结果为: 首先,基于采用成熟技术和产品开发形式的研究思想,设计了可用于千瓦级的PEMFC发电系统和UPS电源系统,组成了混合PEMFC-UPS电源系统实验装置,包括PEMFC、蓄电池(或超级电容器)、AC/DC整流器、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和AC/DC充电器。为了降低成本,PEMFC选用自加湿式的空气冷却燃料电池,避免了PEMFC加湿系统的使用。设计的AC/DC整流器具有功率因数校正功能,减弱了由于整流滤波电路产生的谐波电流,提高了输入功率因数,可达到0.97以上,输入电流波形失真度(THD)小于5%。设计的DC/DC变换器选用推挽电路,其拓扑结构简单,与半桥电路和全桥电路相比,具有开关功率损耗较小,输出电压稳定和软启动等功能。设计的DC/AC逆变器,采用数字信号处理器(DSP) TMS320F240系列,实现了实时的数字控制,高速处理,对混合PEMFC-UPS电源系统实施智能网络化监控等功能。实验测试结果表明,设计的UPS电源系统的功率变换器是合理的和低成本。同时,实施的DC/AC逆变器的无差拍电压控制,明显地改善了UPS电源系统的输出电压波形失真度。 第二,根据燃料电池控制机理和实验测试,研究了PEMFC运行过程中影响输出特性的因素和参数。根据对PEMFC的基本工作原理、关键技术、结构型式、材料选择、商品化进程以及在各个领域的应用过程进行全面分析结果,将PEMFC输出特性的影响参数和因素分为两大类:一类为控制参数,即对PEMFC输出特性的影响起直接作用的参数;另一类为非控制参数,即对PEMFC输出特性的影响起间接作用的参数,包括模型参数、物质传递参数、结构参数和材料参数等。而且,论文介绍了PEMFC的输出特性方程和模型,并提出了一种PEMFC输出特性的评价方法,通过稳态性能指标下的电流密度范围D和输出电压静差率S这两个指标可简单且方便地评价PEMFC的输出特性。 第三,基于PEMFC的动态输出特性模型、动态气体传输模型、动态热传输模型和膜的水传输模型,为了提高PEMFC输出特性和防止电池失效,提出了混合PEMFC-UPS电源系统中的PEMFC发电系统的综合智能协调控制策略。当负载大幅度变化、尾气定时排放、电流中断在线测量膜的内电阻时,为了防止负载变化或压力变化造成的膜电极的泄漏和电堆的失效,采用智能专家控制策略,控制PEMFC和蓄电池之间的功率输出切换;为了防止发生燃料和空气缺失造成电堆的损坏,采用常规的PID控制策略,控制氢气燃料和空气的流量和压力;为了防止膜失水造成膜的热点击穿而损坏电堆,采用模糊自适应控制策略,控制电堆的温度。另外,设计的智能故障诊断专家系统辅助监测氢气燃料的流量和压力,电堆的温度、电流、电压以及膜的内阻等参数,并通过实验研究验证了提出的综合智能协调控制策略的可行性和正确性。 第四,针对PEMFC动态热传输模型建立过程中存在的不精确性问题,为了提高PEMFC温度特性,应用了模糊自适应滑模变结构非线性控制算法控制电堆温度,并用MATLAB/SIMULINK工具和软件进行了仿真实验研究。引入模糊自适应控制算法,实现滑模切换控制中的切换速率和滑模等效控制中的反馈增益的自适应调节,减弱了滑模变结构系统引起的抖振影响,并维持了PEMFC运行过程的稳定性和动态性能。仿真实验结果表明,应用的控制算法既保持了滑模变结构控制的鲁棒性,又具有响应速度快、超调小、无静态误差等优点。 最后,应用基于径向基(RBF)神经网络模糊预测控制算法进行了PEMFC温度控制的仿真实验研究。利用RBF神经网络进行了PEMFC温度模型的辨识,并采用模糊自适应的多步推理和性能测量方法计算性能评价指标,用模糊预测控制算法实施PEMFC的温度控制。因为通过对未来系统输出量的预测能达到对复杂过程的有效控制,所以,对PEMFC这样的非线性被控对象能获得较好的控制效果。应用MATLAB/SIMULINK软件的仿真实验结果表明,应用的控制方法能有效地实现PEMFC非线性系统的优化控制。
【学位授予单位】:昆明理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM911.4

免费申请
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前4条
1 田玉冬,朱新坚,曹广益;质子交换膜燃料电池移动电源温度模糊控制[J];电源技术;2005年03期
2 李曦,曹广益,朱新坚,付晓薇;PEMFC的模糊辨识和非线性预测控制[J];计算机仿真;2005年02期
3 张昌凡,王耀南,何静,龙永红;遗传算法和神经网络融合的滑模控制系统及其在印刷机中的应用(英文)[J];控制理论与应用;2003年02期
4 达飞鹏,宋文忠;基于输入输出模型的模糊神经网络滑模控制[J];自动化学报;2000年01期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 金科;燃料电池供电系统的研究[D];南京航空航天大学;2006年
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李英顺,伦淑娴,皮红梅;基于模糊神经网络的PID温度控制系统[J];鞍山钢铁学院学报;2002年06期
2 杨海柱,金新民;最大功率跟踪的光伏并网逆变器研究[J];北方交通大学学报;2004年02期
3 周世官,李钟侠;神经网络结构及其权值优化的遗传算法[J];兵工自动化;2004年04期
4 栾艳冰,李顺华,屈祖玉;用神经网络技术建造碳钢和低合金钢大气腐蚀知识库[J];北京科技大学学报;2002年05期
5 于丽杰,王京;监控AGC系统的智能PID控制策略[J];北京科技大学学报;2005年01期
6 薛福霞,刘载文,王正祥,杨斌;模糊控制技术在污水处理系统的应用[J];北京工商大学学报(自然科学版);2005年06期
7 龙永红,何静;一种智能控制方法及其在温度控制系统中的应用[J];包装工程;2001年01期
8 张晓兔,刘祖源,张乐文;船舶避碰系统的智能化研究综述[J];船舶工程;2000年01期
9 唐德修;;对燃料电池推动汽车技术进步的探讨[J];重庆工学院学报;2006年11期
10 高峰,董海鹰,胡彦奎;基于BP神经网络的传感器交叉敏感性抑制[J];传感器技术;2005年02期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 侯广松;刘伟生;;适用于地区电网的短期负荷预测方法的研究[A];2005中国电机工程学会电力系统自动化专委会全国供用电管理自动化学术交流暨供用电管理自动化学科组第二届年会论文集[C];2005年
2 郑雪梅;赵琳;冯勇;;不确定系统模糊终端滑模控制设计方法[A];2005中国控制与决策学术年会论文集(上)[C];2005年
3 张祥东;钱锋;;汽油调合的辛烷值(RON)估算方法综述[A];第二十四届中国控制会议论文集(上册)[C];2005年
4 冉汉政;钱祖东;;多次级高压变压器的简化等效模型[A];'2008系统仿真技术及其应用学术会议论文集[C];2008年
5 赵春元;王存旭;张玉艳;于红霞;;基于神经网络的模糊数学在锅炉控制中应用[A];第十届全国电工数学学术年会论文集[C];2005年
6 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
7 冯茜;王磊;李胜玉;;仿人智能模糊控制在发酵补料控制中的应用[A];自动化技术与冶金流程节能减排——全国冶金自动化信息网2008年会论文集[C];2008年
8 肖应旺;;基于PLC的发酵PH复合模糊控制系统[A];2007'仪表,自动化及先进集成技术大会论文集(二)[C];2007年
9 孙刚臣;肖明贵;王杰光;;基于Bp网络的强夯加固软土地基的影响因素量化分析[A];中国地质学会工程地质专业委员会、贵州省岩石力学与工程学会2005年学术年会暨“岩溶·工程·环境”学术论坛论文集[C];2005年
10 刘向;郭振波;张伟;王东;钱斌;;质子交换膜燃料电池膜电极组件性能研究[A];第二十七届全国化学与物理电源学术年会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 徐小增;基于参数辨识及补偿控制的异步电动机智能控制技术研究[D];华中科技大学;2005年
2 刘洪;定性资料处理技术的应用研究[D];吉林大学;2005年
3 阎石;结构振动智能控制的人工神经网络与模糊逻辑方法研究[D];大连理工大学;2000年
4 张泠;建筑墙体表面换热过程辩识方法与数值预测方法研究[D];湖南大学;2001年
5 李阳春;自动控制理论在火电厂热工自动化中的应用[D];浙江大学;2001年
6 翁建生;基于磁流变阻尼器的车辆悬架系统半主动控制[D];南京航空航天大学;2002年
7 姚俊峰;人工智能与混沌理论在铜锍吹炼炉实时仿真与优化决策中的应用研究[D];中南大学;2001年
8 王连明;机载光电平台的稳定与跟踪伺服控制技术研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2002年
9 韩玉杰;木材铣削加工激光在线检测及模糊控制的研究[D];东北林业大学;2002年
10 王其东;基于多体理论的汽车悬架系统分析、设计与控制研究[D];合肥工业大学;2002年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴臻;地震作用下结构响应的预测及模糊预测控制[D];华侨大学;2000年
2 冯大勇;基于补偿算子的模糊神经网络系统及其在系统建模和控制中的应用研究[D];大连理工大学;2000年
3 黄留京;基于LonWorks技术的智能节点的研制及其在BAS中的应用[D];中国农业大学;2000年
4 肖勇;模糊控制理论在滞后系统中的应用[D];广西师范大学;2000年
5 张春凯;配电网状态估计[D];辽宁工程技术大学;2001年
6 邵辉;新型智能控制器在BDCM交流伺服系统中的应用研究[D];甘肃工业大学;2001年
7 刘天键;自适应模糊单神经元非模型控制系统的研究[D];福州大学;2001年
8 曾刚;智能技术在电力企业负荷预测中的应用研究[D];湖南大学;2001年
9 罗麦青;污水处理自适应模糊控制系统的设计与实现研究[D];湖南大学;2001年
10 邓宁华;风速风向对墙体表面换热系数影响的实验研究[D];湖南大学;2001年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前9条
1 周未,王金全,仲未秧;PEM燃料电池的应用前景[J];电池工业;2004年04期
2 李琳琳,赵长安,杨国军,于海;具有可测干扰非线性系统的前馈/反馈线性化[J];电机与控制学报;2000年01期
3 朱正礼,周以齐;基于VC++的PLC与上位机的通讯[J];电气传动;2002年02期
4 卫东,曹广益,朱新坚;质子交换膜燃料电池自校正控制模型研究[J];计算机仿真;2003年09期
5 王耀南;基于神经网络的机器人自学习控制器[J];自动化学报;1997年05期
6 胡骅,宋慧;燃料电池电动汽车的电控系统(续完)[J];汽车电器;2004年09期
7 马紫峰,陆天虹,袁权;绿色机动车——燃料电池汽车[J];上海环境科学;1999年12期
8 李锡红,吴建德,何湘宁;UPS监控技术综述[J];通信电源技术;2003年01期
9 田玉冬,朱新坚,曹广益;基于预测控制的燃料电池温度控制系统的建模[J];移动电源与车辆;2003年04期
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 白丹;三相在线式UPS及其并联技术研究[D];华中科技大学;2004年
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨遇春;燃料电池及其相关材料新进展(一)[J];稀有金属;1999年02期
2 沈春辉,唐浩林,潘牧,袁润章;燃料电池用非氟复合质子交换膜的研究进展[J];精细化工;2004年S1期
3 侯士法,高连勋;聚合物电解质燃料电池研究进展[J];承德石油高等专科学校学报;2002年03期
4 张金庆,房曙光;质子交换膜燃料电池技术的发展及应用[J];河南化工;2003年12期
5 许业伟,袁文辉,关建郁,叶振华;燃料电池的进展[J];广东化工;2001年04期
6 王伟,蒋柏泉,陈敬军;质子交换膜燃料电池研究进展[J];江西化工;2004年01期
7 杜娟,廖世军;燃料电池技术及其国内外研究概况[J];广东化工;2004年04期
8 衣宝廉;质子交换膜型燃料电池(PEMFC)——国内外状况与主要技术问题[J];电源技术;1997年02期
9 马紫峰,陆天虹,袁权;绿色机动车——燃料电池汽车[J];上海环境科学;1999年12期
10 凌佩弘;氢氧燃料电池的开发与利用[J];中国煤炭;1997年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 彭健;蒋柏泉;黄庆荣;王敏炜;;稀有金属在质子交换膜燃料电池中的应用研究[A];第五届全国稀有金属学术会议专辑[C];2006年
2 陆天虹;;氢能时代和燃料电池[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
3 王衡东;叶寅;邱士龙;;辐射接枝膜在PEMFC中的应用[A];第6届辐射研究与辐射工艺学术年会论文集[C];2004年
4 何琨;吴德荣;马紫峰;;大型乙烯裂解炉与固体氧化物燃料电池的联合[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
5 韩敏芳;彭苏萍;王立刚;;固体氧化物燃料电池制备方法评述[A];第四届中国功能材料及其应用学术会议论文集[C];2001年
6 朱文菊;;燃料电池用石墨材料[A];第19届炭—石墨材料学术会论文集[C];2004年
7 董华;冯瑞香;艾新平;杨汉西;;一种直接硼氢化钾燃料电池[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
8 李碩仁;邱弘興;;燃料电池金属双极板现况与未来发展[A];智能制造技术研发及应用——第十三届海峡两岸机械工程技术交流会论文集[C];2010年
9 唐有根;卢凌彬;黄伯云;;高能金属铝燃料电池的研究[A];2002年材料科学与工程新进展(上)——2002年中国材料研讨会论文集[C];2002年
10 夏长荣;;低温固体氧化物燃料电池[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 祝同华 秦伟;我国燃料电池研究驶入发展快车道[N];中国电子报;2003年
2 姜虹;燃料电池为绿色奥运提供清洁能源[N];中国化工报;2002年
3 郑惠荣;21世纪的能源燃料电池[N];中国建材报;2001年
4 ;燃料电池-未来的燃料[N];中国汽车报;2000年
5 刘四旦;燃料电池研发应立足四个重点[N];中国经济导报;2006年
6 本报记者 房琳琳;王诚:为燃料电池做“保湿”[N];科技日报;2006年
7 本报记者 宋剑峰;燃料电池:21世纪的能源主流[N];中国高新技术产业导报;2002年
8 陈锐;日本燃料电池市场将急剧扩大[N];国际商报;2003年
9 ;燃料电池与汽车行业的革命[N];中国有色金属报;2003年
10 ;NEC工程师 为你解读燃料电池[N];中国电脑教育报;2004年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 华周发;质子交换膜燃料电池动态响应研究[D];武汉理工大学;2010年
2 段东红;直接硼氢化物燃料电池铜阳极电化学性能研究[D];太原理工大学;2010年
3 王广进;直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂及膜电极研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
4 王广进;直接硼氢化钠燃料电池阳极催化剂及膜电极研究[D];哈尔滨工业大学;2010年
5 侯中军;质子交换膜燃料电池抗CO电催化剂及电极结构的研究[D];中国科学院研究生院(大连化学物理研究所);2003年
6 谢春刚;面向质子交换膜燃料电池能量系统的优化设计与性能分析[D];天津大学;2009年
7 詹跃东;质子交换膜燃料电池的综合智能协调控制研究[D];昆明理工大学;2010年
8 唐江凌;基于支持向量回归机的燃料电池研究[D];重庆大学;2012年
9 李奇;质子交换膜燃料电池系统建模及其控制方法研究[D];西南交通大学;2011年
10 任远;质子交换膜燃料电池(PEMFC)的智能建模优化与控制研究[D];上海交通大学;2008年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴昆;质子交换膜燃料电池动态建模与控制研究[D];武汉理工大学;2011年
2 杨顺风;PEMFC混合动力系统开发及燃料气体压强非线性控制研究[D];西南交通大学;2010年
3 孟艺飞;小型氢空燃料电池结构及操作条件优化的研究[D];汕头大学;2010年
4 燕希强;质子交换膜燃料电池双极板的研究[D];大连铁道学院;2001年
5 杨曦;质子交换膜燃料电池产业化制约因素研究[D];武汉理工大学;2011年
6 王志丰;熔融碳酸盐燃料电池分布式发电的鲁棒H_∞控制[D];燕山大学;2010年
7 刘玮琳;车用质子交换膜燃料电池瞬态响应特性研究[D];华南理工大学;2010年
8 靳东亮;P/Si玻璃基质子交换制备及燃料电池性能研究[D];上海交通大学;2011年
9 李明;燃料电池碱性阴离子交换膜的制备与表征[D];北京化工大学;2010年
10 傅立运;质子交换膜燃料电池冷却流道的设计与模拟[D];武汉理工大学;2011年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026