高溫燃料電池混合動力系統(tǒng)的建模、仿真和控制研究.pdf

1、熔融碳酸鹽燃料電池(MoltenCarbonateFuelCeIl，簡稱MCFC)是一種用高溫熔融的碳酸鹽作電解質(zhì)的氫氧型發(fā)電裝置。它是繼堿性燃料電池和磷酸燃料電池之后發(fā)展起來的一種新型燃料電池。作為高效清潔能源，MCFC具有操作溫度高、無催化劑和余熱可利用等優(yōu)點(diǎn)。上世紀(jì)八十年代以來，美國、加拿大、德國、日本、英國、意大利等發(fā)達(dá)國家相繼投入大量的人力、物力發(fā)展MCFC技術(shù)，我國也將其列入“十五”、“十一五”期間重點(diǎn)支持的高新技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目

2、。目前，MCFC的研究和開發(fā)在建模、材料試驗(yàn)、基礎(chǔ)工藝、產(chǎn)品研制、系統(tǒng)開發(fā)和應(yīng)用等方面展開，并在分布式電站和混合系統(tǒng)中不斷試驗(yàn)。由于MCFC是一個具有多回路、多相流電化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜系統(tǒng)，同時，MCFC系統(tǒng)控制具有大滯后、時變性、不確定性和非線性等特點(diǎn)，因此MCFC系統(tǒng)建模、辨識和控制研究就具有十分重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 目前MCFC的系統(tǒng)模型，基本上都是復(fù)雜難解的機(jī)理模型和過于簡單的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停y以操作；MCFC控制中，傳統(tǒng)控

3、制系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制效果差。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模糊邏輯系統(tǒng)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的有機(jī)結(jié)合，不但可以利用系統(tǒng)知識、處理模糊信息，而且網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和結(jié)構(gòu)具有自學(xué)習(xí)自適應(yīng)能力。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在非線性系統(tǒng)的控制和建模方面得到了廣泛應(yīng)用。 結(jié)合國家863計(jì)劃項(xiàng)目“50kW天然氣熔融碳酸鹽燃料電池發(fā)電系統(tǒng)研制”、自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高溫燃料電池燃?xì)廨啓C(jī)混合裝置研究”和中國博士后科學(xué)基金項(xiàng)目“熔融碳酸鹽燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的建模和控制研究”，本文主要研

4、究了熔融碳酸鹽燃料電池混合發(fā)電系統(tǒng)的建模、辨識和控制，基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，然后進(jìn)行了系統(tǒng)辨識，從而應(yīng)用到控制系統(tǒng)中，提出了先進(jìn)控制復(fù)合策略。主要研究內(nèi)容如下： 1.在初步研究課題背景和研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，介紹了燃料電池的研究背景和MCFC的技術(shù)進(jìn)展，分析了影響MCFC性能的主要因素，并闡述了MCFC混合發(fā)電系統(tǒng)，最后對本論文的研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)作了說明。 2.應(yīng)用質(zhì)量、動量和能量守恒定律以及氣-液-固三相界面

5、的傳熱傳質(zhì)理論，詳細(xì)研究了MCFC元件、單電池、電堆和發(fā)電系統(tǒng)四個層次的機(jī)理和建模，建立了三個具有可操作性的、基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的MCFC發(fā)電系統(tǒng)模型，并依據(jù)100W和1kWMCFC電堆的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了仿真。 3.分析了基于過程控制的復(fù)雜系統(tǒng)辨識理論，接著研究了以操作參數(shù)和輸出控制為目標(biāo)的MCFC發(fā)電系統(tǒng)辨識技術(shù)，最后在100W和1kWMCFC電堆實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立了MCFC人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)辨識模型，同時建立了MCFC系統(tǒng)辨識的向量空

6、間，完成了多變量的系統(tǒng)辨識模型。研究結(jié)果表明，MCFC系統(tǒng)辨識的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，不能采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)辨識方法，需要針對具體MCFC發(fā)電系統(tǒng)的大小、結(jié)構(gòu)和使用場合，選擇合適的先進(jìn)辨識方法。 4.系統(tǒng)研究了MCFC發(fā)電系統(tǒng)的先進(jìn)控制理論和方法，對各種情況下的MCFC發(fā)電系統(tǒng)控制進(jìn)行了設(shè)計(jì)和仿真研究。結(jié)果表明，MCFC發(fā)電系統(tǒng)控制并不是控制系統(tǒng)越復(fù)雜算法越新就越好，而要針對不同的情況和系統(tǒng)大小，根據(jù)不同的操作參數(shù)和監(jiān)測數(shù)據(jù)來綜合選取，設(shè)計(jì)了