质子交换膜燃料电池动态模型与控制研究

论文摘要

随着能源危机和环境污染问题越来越严重,开发高效、低污染的能源技术已成世界各国的重大课题之一。质子交换膜燃料电池(PEMFC)能量密度高并且环保,特别适用于可移动电源。为了改进PEMFC系统的性能,优化系统的设计,则必须对PEMFC的运行过程和影响因素进行深入的研究。由于PEMFC系统本身的复杂性,需要考虑很多关键变量,故基于机理方法的PEMFC理论建模是非常艰难的过程。同时,在实际的发电过程中,为了提高PEMFC发电系统运行的稳定性和可靠性,必须采用可行的控制方法。本文首先建立了PEMFC系统的电化学参数模型和动态模型,然后运用自适应模糊PID控制器对电堆的输出电压进行控制和仿真研究。本论文的主要工作有：1)简要阐述了PEMFC的工作原理,主要部件的功能及PEMFC管理单元。介绍了PEMFC测控系统组成及其关键技术。2)基于燃料电池的电化学理论,利用Matlab/Simulink仿真工具建立了PEMFC系统的稳态模型,并通过仿真,分析了工作温度和反应气体的压力对电堆性能的影响。3)研究了电堆发电的动态特性,建立了PEMFC输出电压动态模型,主要研究了运行参数对电堆动态输出性能和非线性内阻产生的影响。将仿真结果与实验数据进行比较,表明所建模型是正确可行的。4)建立了自适应模糊PID控制器,其PID参数通过模糊逻辑推理来整定。基于三阶系统的仿真结果表明了该控制器具有良好的性能。5)基于电堆的参数模型,分别利用PID控制器和自适应模糊PID控制器改变电堆入口氢气的流量,对电堆的输出电压进行控制。仿真结果表明,所建立的模型能较好的反映PEMFC的动态性能,自适应模糊PID控制器能更有效的对燃料电池的输出特性进行控制,保证系统的稳定运行。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 燃料电池技术发展历史
• 1.3 PEMFC系统研究现状与发展
• 1.3.1 测控系统研究现状
• 1.3.2 电堆模型研究状况
• 1.3.3 控制算法研究现状
• 1.3.4 控制方法研究方向
• 1.4 目前研究重点及主要课题
• 1.5 本文主要内容及研究意义
• 1.5.1 本文主要内容
• 1.5.2 本课题研究意义
• 2 PEMFC及其测控系统的概述
• 2.1 引言
• 2.2 燃料电池工作原理
• 2.3 电堆主要部件
• 2.4 电堆管理单元
• 2.5 测控系统组成
• 2.6 测控系统的关键技术
• 2.7 本章小结
• 3 PEMFC建模及动态仿真
• 3.1 引言
• 3.2 机理模型
• 3.3 经验模型
• 3.4 动态模型
• 3.4.1 电化学模型
• 3.4.2 电压动态模型
• 3.4.3 两种模型的比较
• 3.5 基于Simulink的电堆动态模型及仿真
• 3.5.1 仿真模型
• 3.5.2 仿真与结果分析
• 3.6 本章小结
• 4 自适应模糊PID控制器设计与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 模糊控制的基本理论
• 4.2.1 模糊逻辑及模糊控制
• 4.2.2 模糊控制系统结构
• 4.2.3 模糊控制系统设计步骤
• 4.3 自适应模糊PID控制原理及设计
• 4.3.1 控制器工作原理
• 4.3.2 参数整定基本原则
• 4.3.3 自适应模糊PID控制器的设计
• 4.3.4 控制器的工程实现
• 4.3.5 系统模型与仿真分析
• 4.4 本章小结
• 5 PEMFC的输出电压控制
• 5.1 引言
• 5.2 电压控制策略
• 5.2.1 控制方案
• 5.2.2 PID初始参数整定
• 5.2.3 自适应模糊PID算法程序
• 5.2.4 气体压力流量的关系
• 5.3 电压控制仿真研究
• 5.4 本章小结
• 6 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士期间发表论文