質(zhì)子交換膜燃料電池家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)的仿真分析和控制設(shè)計(jì)研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)潔凈高效、燃料豐富、靈活可靠，尤其在電動汽車和小型分布式發(fā)電雙重市場的應(yīng)用潛力使其得到了快速發(fā)展，世界范圍內(nèi)正在為即將到來的產(chǎn)業(yè)化積極地進(jìn)行準(zhǔn)備。我國對PEMFC作為交通動力源的研究和開發(fā)已經(jīng)取得了一定的成績，有大量的示范項(xiàng)目。但是，由于建筑供電和采暖的能耗大、環(huán)境污染和近年來發(fā)生的電網(wǎng)故障，以及電力緊張導(dǎo)致高峰用電時(shí)不得不拉閘限電的現(xiàn)狀，國內(nèi)已經(jīng)提出PEMFC在分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供上的應(yīng)用，但是目前研究

2、仍處于起步階段，落后于其他國家的研究水平。 因此，本文參考國內(nèi)外PEMFC的研究經(jīng)驗(yàn)，以實(shí)際應(yīng)用為目標(biāo)，采用動態(tài)建模和仿真實(shí)驗(yàn)為研究手段，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)具有良好性能的60kw PEMFC家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)，并且通過綜合控制實(shí)現(xiàn)其穩(wěn)定運(yùn)行，為PEMFC分布式發(fā)電和熱電聯(lián)供技術(shù)的實(shí)際開發(fā)和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。研究的具體內(nèi)容和成果包括： 1)建立了60kW PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型。針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大和性能復(fù)雜的特點(diǎn)，應(yīng)用M

3、ATIAB／SIMULINK仿真軟件，采用靈活的模塊化建模方法，先分別建立了PEMFC電堆、陽極側(cè)燃料流動、陰極側(cè)空氣流動、電管理和熱管理子系統(tǒng)的模型，然后連接實(shí)現(xiàn)了PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)的動態(tài)模型。經(jīng)仿真驗(yàn)證，該系統(tǒng)動態(tài)模型能夠正確反映各種操作參數(shù)的動態(tài)變化和系統(tǒng)電能、熱能的輸出特性，可以作為系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)、性能分析和控制研究的有效工具。而且，模型把系統(tǒng)的一些物理結(jié)構(gòu)參數(shù)也作為變量，從而具有了普遍適用性。系統(tǒng)模型的普遍適用性和靈活的模塊

4、化建模方法，不僅使60kwPEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)在仿真階段便于進(jìn)行系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、參數(shù)和控制的設(shè)計(jì)，將來實(shí)際應(yīng)用時(shí)便于調(diào)整，而且，使系統(tǒng)模型可以方便地應(yīng)用于其他相似的PEMFC系統(tǒng)的仿真研究。 2)提出并驗(yàn)證了60kW PEMFC熱電聯(lián)供系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的綜合控制設(shè)計(jì)。目前文獻(xiàn)都是強(qiáng)調(diào)對PEMFC系統(tǒng)某些性能參數(shù)的獨(dú)立研究。因?yàn)橄到y(tǒng)的強(qiáng)非線性動態(tài)特性和多參數(shù)耦合的特點(diǎn)，所以只有通過綜合控制使其運(yùn)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所有要求的性能指標(biāo)才具有實(shí)際的應(yīng)用

5、意義。本文針對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大、參數(shù)繁多和性能復(fù)雜的性質(zhì)，采用分塊簡化再整合的處理方法，先對系統(tǒng)的陽極側(cè)操作參數(shù)、陰極側(cè)操作參數(shù)、輸出功率、電壓、電堆工作溫度和熱能存儲溫度分別進(jìn)行獨(dú)立控制，然后將各部分內(nèi)容連接起來，在最嚴(yán)酷的電階躍負(fù)載的情況下，仿真實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)良好的穩(wěn)定運(yùn)行。以實(shí)際應(yīng)用為目的，設(shè)計(jì)了二變量單神經(jīng)元Pl解耦控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性逆控制，其具有結(jié)構(gòu)簡單、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，以及良好的自適應(yīng)和抗干擾能力，得到的控制結(jié)果滿足系統(tǒng)要求。

6、 3)以系統(tǒng)的動態(tài)模型和仿真實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，通過重復(fù)設(shè)計(jì)、分析、評價(jià)和改進(jìn)，逐步實(shí)現(xiàn)了性能良好的60kW PEMFC家庭熱電聯(lián)供系統(tǒng)。該系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動態(tài)建模和仿真、綜合控制和熱管理的研究過程中，采用了有效的研究方法，得到的研究結(jié)果不僅為其進(jìn)一步的研究和開發(fā)提供了理論依據(jù)，而且為其他PEMFC系統(tǒng)的研究提供了參考。尤其在完成了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和控制運(yùn)行之后，按照Hawkes的建議，根據(jù)10個(gè)典型家庭用戶一天的能量需求對系統(tǒng)進(jìn)行性能評價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)