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质子交换膜燃料电池系统建模及其控制方法研究

李奇  
【摘要】:随着全球变暖问题的出现,燃料电池技术由于具有高效、环境友好的特点,被视为一种具有发展前景的能源技术。与其它类型的燃料电池相比,质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有运行温度低、功率密度高、响应快、稳定性好以及当使用纯氢气时不会造成环境污染等特点,适用于便携式动力源、混合动力车辆及分布式发电。 本文主要对车用PEMFC系统建模、改进粒子群优化算法(MPSO)及其在PEMFC模型参数辨识中的应用、基于H∞次优控制方法的PEMFC控制问题、燃料电池混合动力车辆建模及其多能源控制策略进行了研究。本文主要研究成果如下。 (1)根据PEMFC机理模型和辨识模型的建模原理,建立了包括PEMFC机理模型和辅助设备模型的车用PEMFC系统混合动态模型。其中机理模型部分由输出电压模型、阴极流量模型、阳极流量模型以及膜水合模型组成;系统辅助设备模型部分由空气压缩机模型、管道集总模型、冷却器模型以及增湿器模型组成。该系统模型克服了既有PEMFC系统机理模型较复杂和参数繁多以及辨识模型需要实验数据量大、成本高等问题,而且模型中综合考虑输出电压系统、空气供应系统和增湿系统等相关子系统的建模。所建立的系统模型作为后续章节控制系统设计的基础; (2)针对传统PSO算法难以跳出局部极值点,易使平衡点陷入停滞状态,造成早熟收敛的问题,本文提出了一种具有较好全局搜索能力和寻优速度的MPSO算法。该算法主要包括有效信息策略、自适应惯性权值和加速度因子策略、BFGS拟牛顿法局部搜索策略以及随机重组策略。本文采用MPSO算法对benchmark函数问题进行函数优化测试,以验证该算法的性能,同时与其它已被广泛采用的改进PSO算法进行分析比较; (3)在新加坡淡马锡理工学院清洁能源研究中心(CEC)建立了PEMFC实验测试平台,利用燃料电池测试系统对CEC自主研发的PEMFC进行了极化特性曲线测试。根据具体实验数据,结合所建立的PEMFC模型,在无噪声和含噪声条件下,采用MPSO算法对输出电压模型的关键参数进行了辨识,并与其它改进PSO算法的辨识结果进行了分析比较,以验证MPSO算法的优越性; (4)针对PEMFC系统过氧保护问题,根据所建立的非线性PEMFC系统模型,本文提出一种将降阶H∞次优输出反馈控制器与前馈补偿器相结合的2自由度控制器(2DOF),使系统过氧比(OER)能够维持在最优值附近。在仿真模拟电动车的动态行驶过程时,考虑了多种不确定性参数摄动和外部扰动的影响,以检验控制系统的鲁棒性能,同时与其它控制方法进行了比较,并使用Ballard 1.2kW Nexa实验系统进行定性实验分析比较,以验证所建控制系统的可行性和有效性; (5)为了防止质子交换膜损坏、保证PEMFC系统稳定运行及延长其使用寿命,本文提出了一种非线性H∞次优输出反馈控制方法,建立了PEMFC压力控制系统模型。该方法通过非线性坐标变换和动态扩展算法,求解了非线性状态反馈控制律,得到了线性可控的Brunovsky标准型结构,进而将前文提出的基于LMI的H∞次优输出反馈控制方法与状态反馈精确线性化方法相结合,进一步设计了非线性H∞次优输出反馈控制器。通过模拟燃料电池测试系统的负载电流出现连续突变情况,对PEMFC压力控制系统进了动态仿真,以检验所设计的非线性控制器的抑制扰动能力,同时与其它非线性控制方法进行了比较分析; (6)本文在燃料电池和蓄电池(FC+B)双混合驱动型车辆的仿真系统结构基础上,对电动车辆仿真软件ADVISOR进行了二次开发,重新配置了装载文件,建立了燃料电池、蓄电池和超级电容器(FC+B+UC)混合驱动型车辆的仿真模型。此外为了提高燃料电池混合动力车辆的燃料经济性,增加车辆的续航里程,本文针对FC+B双能量源混合驱动系统以及FC+B+UC三能量源混合驱动系统,采用模糊控制方法设计了相应的多能量源控制策略。根据不同标准循环工况,通过与ADVISOR中广泛采用的功率跟随控制策略在燃料经济性和动力性指标上分别进行对比分析,验证了所提出的多能量源控制策略在满足工况功率需求的前提下,在各动力源之间功率分配方面的合理性和有效性。


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