基于智能方法的質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的建模與控制研究.pdf

1、若不開發(fā)新型動力能源,世界將很快從目前的能源短缺走向能源枯竭.為了解決經(jīng)濟發(fā)展與能源短缺及環(huán)境污染之間日益加劇的矛盾,開發(fā)清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新動力能源技術(shù)已成了十分緊迫的任務(wù).氫能以其清潔、高效、來源廣泛及可再生等特點,使人們普遍認為氫能是替代化石能源的最佳選擇.21世紀,人類社會正在從以化石能為能源基礎(chǔ)的"碳氫經(jīng)濟"逐步過渡到以氫能為主要能源的"氫經(jīng)濟"時代.質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是以氫氣為燃料的發(fā)電裝置,具有清潔、高

2、效、性能穩(wěn)定,且工作溫度低(一般在80℃以下)和啟動速度快等顯著特點,在電源、電力驅(qū)動和發(fā)電領(lǐng)域均具有十分廣闊的應(yīng)用前景.PEMFC已被美國、日本、德國、法國、英國、意大利等發(fā)達國家列為重點發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),也是我國"九五","十五"期間支持的重大高新技術(shù). 目前國內(nèi)外對PEMFC的研究主要集中在兩方面:一是研發(fā)電池部件所需的新材料,同時對其結(jié)構(gòu)及裝配工藝進行改進;二是根據(jù)單電池或電堆內(nèi)部的反應(yīng)機理建立其數(shù)學模型.而關(guān)于PEMFC

3、系統(tǒng)的可控模型和控制算法研究還很少,隨著PEMFC的技術(shù)不斷發(fā)展和商業(yè)化的到來,解決.PEMFC系統(tǒng)有關(guān)控制方面的問題就顯得極為迫切了. 本課題以上海交通大學燃料電池研究所正在進行的兩個科研項目-"985工程"項目"質(zhì)子交換膜燃料電池動力系統(tǒng)研制","十五"國防科研項目"20kW車載質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的研制"-作為本論文研究工作的輔助,對PEMFC系統(tǒng)數(shù)學建模和控制方面展開了相關(guān)理論研究和實驗驗證.本文首先提出了四種不同神經(jīng)

4、網(wǎng)絡(luò)方法建立的PEMFC單電池的輸出電特性模型,并對它們進行了仿真和比較;同時從電池內(nèi)部機理入手建立了PEMFC電池適于控制的發(fā)電系統(tǒng)的模型,提出了三種輸出電壓的控制方案,并進行了仿真、驗證和比較;然后為了提供PEMFC輸出特性模型的預測精度并使其適用范圍更廣,提出了一種改進的遺傳算法對電池輸出特性模型中的參變量系數(shù)進行了優(yōu)化;最后提出了用T-s模糊方法、自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法和改進Elman方法建立的PEMFC溫度模型代替實際電堆,應(yīng)用于

5、模糊神經(jīng)控制和一種改進型T_s模糊神經(jīng)兩種智能控制中,并進行了仿真和比較.本論文的創(chuàng)新性工作主要包括: 1、:PEMFC數(shù)學模型的建立是一個極其繁瑣的過程,本論文結(jié)合上海交通大學燃料電池研究所研發(fā)的質(zhì)子膜燃料電池的實驗參數(shù)和測試數(shù)據(jù),在文中22.4節(jié)提出了采用四種不同的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對PEMFC單電池進行建模的方法,避免了其復雜性.概括說來就是從電堆入口處陰陽極氣體壓力、濕度和電池工作溫度這三個主要影響因素入手,詳細闡述了BP

6、NN,LMBPNN,RBFNN和ANFIS算法在PEMFC中的應(yīng)用并通過對實驗樣本數(shù)據(jù)的訓練、學習,建立了單電池的電特性數(shù)學模型,仿真得到了PEMFC的電特性曲線;同時比較和分析了四種不同算法的仿真時間、均方誤差和步數(shù)三項指標.這項工作不僅為PEMFC的數(shù)學模型的建立提供了新的途徑,并為其發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)化和控制打下了基礎(chǔ). 2、為了掌握PEMFC電池的動態(tài)響應(yīng)特性并建立其可控的數(shù)學模型,本文第三章從單電池的內(nèi)部運行機理著手,運用質(zhì)

7、量守恒、動量守恒和能量守恒定律,分析并建立了開路電壓、活化過電壓、歐姆電壓和濃差過電壓方程;同時將電池系統(tǒng)發(fā)電等效為一個RC回路來模擬電池的動態(tài)變化;用MATLAB/Simulink軟件搭建了PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學模型,并對系統(tǒng)進行了仿真和分析,為后續(xù)控制算法的設(shè)計和實施打下了基礎(chǔ). 3、為了確保PEMFC發(fā)電系統(tǒng)輸出電壓的穩(wěn)定,并使其維持安全、可靠和高效的運行,本文提出了通過調(diào)節(jié)陰極空氣和陽極氫氣的壓力來控制PEMFC電

8、堆輸出電壓的方法.同時設(shè)計和實現(xiàn)了模糊自整定PID控制器和CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行控制器在PEMFC動態(tài)系統(tǒng)控制中的應(yīng)用,并將兩種算法與PID常規(guī)控制算法進行了比較,CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行算法不僅能夠節(jié)能,而且具有良好的控制性能,為PEMFC發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計時電壓的控制提供了設(shè)計思路和參考方案. 4、PEMFC單電池輸出特性模型中的參變量系數(shù)對模型的精度有著很大的影響,由于這些系數(shù)均是在特定實驗環(huán)境下測定,所以模型難于滿足在各種不同反應(yīng)條

9、件下的精度要求.為了提高模型的精度,本文提出了對模型的參變量系數(shù)采用一種變換適應(yīng)度尺度、保護優(yōu)秀個體和交叉預選擇機制的改進型遺傳算法進行優(yōu)化.仿真結(jié)果表明單電池輸出模型在多種不同反應(yīng)條件下均能與實驗數(shù)據(jù)很好的擬合,為PEMFC輸出特性模型在更廣范圍內(nèi)預測電池工作電壓的變化提供了新的改善途徑. 5、PEMFC發(fā)電系統(tǒng)的工作溫度嚴重影響著電堆的輸出性能和使用壽命,為了減少溫度波動使其穩(wěn)定在最佳值上,必須采取有效的控制手段.

10、本文首先利用來自專家的經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù),分別采用T-S模糊方法和自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法建立了電堆溫度的辨識模型,分析比較得知自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法具有較高的精度與辨識速度;并在自適應(yīng)神經(jīng)模糊方法辨識模型的基礎(chǔ)上提出了一種神經(jīng)模糊控制算法,采用BP反向傳播算法對模糊隸屬度函數(shù)的參數(shù)進行修改,使模糊系統(tǒng)中自學習能力較差、不能滿足實時控制要求的問題得以解決;仿真實驗結(jié)果驗證了該控制器是可行的.其次,從提高PEMFC系統(tǒng)辨識精度和速度的角度出發(fā),本文在基

11、本Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,給結(jié)構(gòu)單元中增加了一個固定增益的自反饋連接改進了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu);并運用動態(tài)BP算法對網(wǎng)絡(luò)權(quán)值進行調(diào)整;仿真實驗結(jié)果表明改進后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識器的性能得到了較大改善.之后,在改進Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識模型的基礎(chǔ)上提出了一種改進T-S模糊神經(jīng)控制,對算法作了以下三點改進: 1)模糊控制器的結(jié)構(gòu)前件網(wǎng)絡(luò)由四層簡化為三層; 2)采用減法聚類確定模糊劃分數(shù);3)在后件網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的學習中引入了動量因子.與常規(guī)的模