5kW质子交换膜燃料电池系统的建模与控制

质子交换膜燃料电池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)发电系统发电效率高,对环境无污染,是21世纪很有发展前景的清洁能源技术之一。燃料电池系统具有复杂非线性系统的一些特点,影响其输出性能的因素较多。自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)算法在求解非线性系统的最优控制解方面具有优势,使用自适应动态规划算法实现对非线性系统的优化控制,是一种有益的尝试。 首先,本文在分析了5kW质子交换膜燃料电池系统组成结构与运行机理的基础上,建立了电池堆和周边辅助设备的机理模型,详细分析了一些重要运行参数如反应气体流量、电池堆工作温度、电池堆相对湿度等,对燃料电池系统输出性能的影响,并在MATLAB/Simulink环境下建立了相应的仿真模型。 其次,依据自适应动态规划基本原理,使用三层BP神经网络构建了自适应动态规划算法的网络架构,将建立好的燃料电池堆机理模型应用于自适应动态规划算法中,设计了启发式动态规划(Heuristic Dynamic Programming, HDP)控制器、双启发式动态规划(Dual Heuristic Programming, DHP)控制器和执行依赖启发式动态规划(Action Dependent Heuristic Dynamic Programming, ADHDP)控制器。 然后,在对燃料电池堆氢气流量的控制中,分别采用了传统的PID控制器和HDP控制器；在对燃料电池堆工作温度的控制中,分别采用了PID控制器和DHP控制器。仿真结果表明,启发式动态规划和双启发式动态规划算法取得的控制效果总体上要优于传统的PID控制。 最后,在对阴极空气流量和阴极相对湿度同时进行控制时,使用ADHDP控制器进行了多输入／输出控制。仿真结果表明,ADHDP控制进入稳态的时间短,超调量小,稳定性强,显示了良好的控制特性。